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| FOTO/ PEXELS, MOHAMED ABDELGHAFFAR. |
Las baterías se utilizan ampliamente en aplicaciones cotidianas, como la alimentación de vehículos eléctricos y aparatos electrónicos, y son candidatas prometedoras para el almacenamiento de energía sostenible. Sin embargo, como probablemente haya notado con la carga diaria de las baterías, su funcionalidad disminuye con el tiempo. Con el tiempo, hay que sustituir estas baterías, lo que no sólo es caro, sino que también agota los elementos de tierras raras utilizados en su fabricación.
Un factor clave en la reducción de la vida útil de las baterías es la degradación de su integridad estructural. Para desalentar la degradación estructural, un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC espera introducir el "estiramiento" en los materiales de las baterías para que puedan ser sometidas a ciclos repetidos sin que se produzca fatiga estructural. Esta investigación ha sido dirigida por Ananya Renuka-Balakrishna, profesora adjunta de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de WiSE Gabilan, y por Delin Zhang, candidato al doctorado en la USC Viterbi, así como por investigadores del grupo del profesor Brian Sheldon de la Universidad de Brown. Su trabajo se ha publicado en el Journal of Mechanics and Physics of Solids.
Una batería típica funciona mediante un ciclo repetitivo de inserción y extracción de iones de litio de los electrodos, explicó Zhang. Esta inserción y extracción expande y comprime las redes de electrodos. Estos cambios de volumen crean microfisuras, fracturas y defectos con el tiempo.
"Estas microfisuras y fracturas en el material de la batería provocarán una degradación estructural que acabará por reducir la capacidad de la batería", explica Zhang. "En última instancia, habrá que sustituir la batería por una nueva".
Para evitarlo, Zhang, que estudia los materiales de intercalación -una clase de materiales utilizados como electrodos en las baterías de iones de litio-, estira estos electrodos de intercalación antes de tiempo. Este cambio en el estado de tensión inicial regula los voltajes de transformación de fase, lo que hace que los electrodos sean más resistentes a la fractura o a la amorfización (perder sus propiedades cristalinas).
Mayor tensión, mayor capacidad
Las transformaciones de fase, cuando los materiales de las baterías cambian de forma física, son el resultado del ciclo de expansión y compresión que acompaña a la carga y el uso diarios. Según Zhang: "Estas transformaciones de fase pueden hacer que los electrodos sean más susceptibles a la degradación estructural, especialmente cuando el proceso se repite con tanta frecuencia".
La reversibilidad de las fases es clave para que las baterías mantengan una funcionalidad eficiente a lo largo del tiempo. Dijo Renuka-Balakrishna: "La reversibilidad se potencia al máximo si se asegura que el material se mantiene en su forma cristalina. A ciertos voltajes, cuando los materiales pasan de una fase a otra, pueden convertirse en polvo, lo que no es ideal para el funcionamiento eficiente de la batería".
Por ello, los investigadores se preguntaron: "¿Hay alguna manera de mantener los materiales de la batería en su forma cristalina mientras pasan de un paisaje energético a otro?" La respuesta: cambiar la estructura de los materiales introduciendo un estado de tensión inicial.
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| Al estirar los electrodos antes de la carga/descarga, los investigadores cambiaron el panorama energético a través del cual un electrodo pasa del estado de carga al de descarga. Esto también permite que la batería funcione en un rango de tensión más amplio, como muestra el gráfico de la derecha. Crédito: DELIN ZHANG |
Según Zhang, "al estirar los electrodos antes de cargarlos y descargarlos, cambiamos el paisaje energético a través del cual un electrodo pasa del estado de carga al de descarga. Este estiramiento inicial nos permite reducir la barrera energética para estas transformaciones y evitar las deformaciones perjudiciales de la red que conducen al fallo del material. Este cambio en el panorama energético ayuda a prevenir microfisuras y fracturas, protegiendo la sostenibilidad y la capacidad de almacenamiento de energía de la batería".
Una ventaja añadida, según Renuka-Balakrishna, es que al estirar los electrodos, la batería también puede funcionar en una ventana de voltaje más amplia, lo que la hace más eficiente en su capacidad de almacenamiento de energía.
Desafíos del almacenamiento de energía moderno
Una de las principales preocupaciones de la comunidad de almacenamiento de energía, dijo Renuka-Balakrishna, es alejarse de los electrolitos líquidos inflamables que se suelen utilizar en las baterías y ponerlos en materiales sólidos. "Esto introduce nuevos retos", dijo.
Los objetos sólidos, como todos sabemos, pueden deteriorarse con el tiempo si se les somete a esfuerzos repetidos. Cuando se introduce una grieta, las dos caras de una superficie pierden el contacto. En el caso de la batería, esto crea un problema de mecánica simple; sin la conexión, es difícil transportar iones a través del material, dijo Renuka-Balakrishna.
Enfoques como el identificado por Zhang son un intento de avanzar hacia unas baterías más seguras y sostenibles al tiempo que se aborda este reto mecánico. La novedad de este enfoque es que, en lugar de encontrar un nuevo material para mejorar la vida útil de las baterías, se puede mejorar la vida útil de un material existente introduciendo conceptos mecánicos fundamentales para mejorar su vida útil, dijeron los investigadores.
"La mecánica no siempre ha sido una parte integral del desarrollo de las baterías", dijo Renuka-Balakrishna. "Pero ahora los ingenieros pueden jugar con esta teoría/herramienta que ha creado Zhang y trabajar para diseñar la vida útil de los materiales de las baterías".
La mejora de la vida útil de las baterías beneficiaría a los usuarios de dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos, permitiendo un uso más prolongado de los dispositivos y minimizando la sustitución de las baterías, dijo Zhang. Dado el coste de una batería de iones de litio, también podría ahorrar mucho dinero a los usuarios con el tiempo.
Además, Zhang dijo que el almacenamiento sostenible de energía es una parte importante de la reducción de las emisiones nocivas de gases de efecto invernadero y de los residuos de las baterías, y esperamos que con nuestro trabajo abramos una nueva línea de investigación para mejorar la reversibilidad del material.
Fuentes, créditos y referencias:
Delin Zhang et al, Film strains enhance the reversible cycling of intercalation electrodes, Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2021). DOI: 10.1016/j.jmps.2021.104551