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El funcionamiento interno de una batería de litio

Los investigadores dijeron que sus hallazgos brindan una comprensión más completa de cómo funcionan esas baterías

Los investigadores dijeron que sus hallazgos brindan una comprensión más completa de cómo funcionan esas baterías

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Un grupo internacional de científicos ha desarrollado un método integral para rastrear los procesos microscópicos que funcionan en baterías de litio.

El grupo se asomó dentro de las capas de una batería comercial para obtener una mejor comprensión de los procesos en el trabajo y los mecanismos de degradación que los afectan. Sus hallazgos, dice el grupo, podrían proporcionar un punto de referencia para la caracterización de la batería. 

 Figura 1. Imagen en 3D que muestra una sección transversal del interior de una batería de litio

Figura 1. Imagen en 3D que muestra una sección transversal del interior de una batería de litio

Los científicos dirigidos por el organismo de investigación de almacenamiento de energía electroquímica del Reino Unido, la Institución Faraday, han combinado sofisticadas imágenes por computadora y modelos matemáticos para obtener una nueva visión del funcionamiento de las baterías de litio.  

Los investigadores dijeron que sus hallazgos brindan una comprensión más completa de cómo funcionan esas baterías y los detalles de varios mecanismos de degradación que afectan el rendimiento con el tiempo.  

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La investigación resultante, publicada en Nature Communications, explica cómo el grupo utilizó dos tipos complementarios de tomografía: el uso de una onda penetrante para crear una representación de una sección transversal a través de un objeto sólido, para profundizar en el rendimiento de un producto comercialmente disponible ' Celda primaria de óxido de litio-manganeso CR2 'fabricada por Duracell.  

La tomografía computarizada de rayos X resultó ser la más adecuada para examinar elementos más pesados ​​como el manganeso y el níquel. El proceso permitió al grupo detectar degradación mecánica, como grietas y deslaminación en el electrodo. El grupo observó grietas relacionadas con la fabricación en el cátodo que se expandieron durante la descarga de la batería, debido a la inserción de litio.  

La segunda técnica de imagen empleada, la tomografía de neutrones, se centró más en la química de los electrolitos y el transporte de iones de litio a través del dispositivo. "La tomografía de neutrones permitió observar directamente la migración de iones de litio y también determinar cómo la distribución del electrolito en la celda de la batería cambia con el tiempo", dijo Ingo Manke, experto en tomografía del instituto de investigación Helmholtz Zentrum Berlin y un co- autor del artículo.  

 Figura 2. Imágenes de tomografía que demuestran el funcionamiento de una batería de dióxido de manganeso y litio

Figura 2. Imágenes de tomografía que demuestran el funcionamiento de una batería de dióxido de manganeso y litio

El grupo observó que la estructura herméticamente apretada del electrodo dificultaba el análisis, por lo que emplearon un modelo matemático para 'desenrollar' virtualmente la estructura, utilizando una técnica adaptada de una desarrollada para que los historiadores vean rollos o manuscritos demasiado delicados para desenrollarlos físicamente. Ese método permitió al grupo observar procesos profundos dentro de la batería que de otro modo habrían sido muy difíciles de detectar.  

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"Estos datos presentan un ejemplo de la poderosa información que se puede obtener de las imágenes 4D", se lee en el documento de investigación. "Las propiedades generales en las que se basaban anteriormente los modelos computacionales ahora pueden reemplazarse por valores transitorios resueltos espacialmente ... podrían proporcionar una descripción más precisa y completa de la operación práctica, degradación y falla de una celda".  

Los investigadores notaron que su trabajo solo incluía el análisis de dos celdas de batería muy similares, por lo que los hallazgos pueden no ser estadísticamente significativos. Sin embargo, dijeron que confían en que su método allanará el camino hacia mejoras en el diseño de las células cilíndricas en varias químicas de baterías y, en general, mejorará la comprensión del rendimiento de la batería.  

"El proceso que hemos desarrollado nos brinda una herramienta única para mirar dentro de una batería durante la operación y analizar dónde y por qué ocurren las pérdidas de rendimiento", agregó Manke. "Esto nos permite desarrollar estrategias específicas para mejorar el diseño de las baterías enrolladas".  

 

Noticia de: PV Magazine / Traducción libre del inglés por World Energy Trade

 

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