Científicos resuelven el misterio de la degradación de las baterías

Cada vez que recargamos una batería de iones de litio, su capacidad se ve mermada de forma imperceptible. Con el tiempo, acaba perdiendo una parte importante de su capacidad. Este fenómeno está ampliamente documentado, pero nunca se había podido observar el proceso físico concreto, a escala nanométrica, que deteriora los electrodos. Un grupo de científicos del Departamento de Energía de EE.UU. acaba de lograrlo.

Es descubrimiento, publicado en la revista Nature Communications, es importante porque, ahora que ya conocemos la mecánica exacta del proceso de deterioro, se podría detener de forma más sencilla en el futuro.

A medida que una batería se descarga como parte de su funcionamiento normal, los iones de litio transportan la carga eléctrica entre los electrodos a través de un medio fluido no acuoso denominado electrolito. Cada vez que esos iones se mueven de un lado a otro, provocan pequeñas roturas en las estructuras de los electrodos. Esto, a la larga, es lo que deteriora la batería. Lo que el equipo de investigadores ha descubierto es el funcionamiento exacto de ese proceso. El especialista en materiales Huolin Xin lo explica así:

Hemos podido observar patrones de cambio y degradación muy sorprendentes en dos de los materiales clave de las baterías. Al contrario de lo que indicaba la observación a gran escala, los iones de litio no erosionan los materiales de una manera uniforme, sino que inciden en determinadas zonas creando vulnerabilidades en la estructura atómica de una manera similar a como se extiende la oxidación en materiales metálicos. A medida que los iones de litio se mueven por el óxido de níquel del ánodo, provocan cortes en las partes más débiles de la estructura lo que, a la larga, disminuye su capacidad.

Consideremos, por ejemplo, los copos de nieve, que necesitan de una pequeña partícula de polvo en el aire para comenzar a formarse. Sin esta pequeña irregularidad, los cristales de hielo no pueden tomar forma. De la misma manera, el óxido de níquel solo comienza a convertirse en níquel metálico en diminutas irregularidades del electrodo a escala nanométrica.

De igual manera, hemos podido observar, a través del microscopio electrónico, que cuando los iones se mueven en el cátodo al cargarse, generan un tipo de estructuras cristalinas que cubren progresivamente los electrodos y también disminuyen su capacidad. Este fenómeno es más pronunciado cuanto mayor es el voltaje.

La solución que proponen los científicos a ambos fenómenos pasa, una vez más, por la nanotecnología. La idea es lograr recubrir los electrodos de una capa a escala atómica que, por un lado, homogenicen la superficie y evite que los iones arañen los puntos débiles de la estructura y, por otro, evite la acumulación de cristales.

Al mismo tiempo, la cobertura debe ser capaz de permitir que los materiales de la batería lleven a cabo su función, tarea nada sencilla. Aún habrá que esperar unos años para encontrar baterías que no se degraden, un aspecto, además, que no es muy deseable a nivel comercial para la industria de las baterías ni para la de electrónica de consumo. [Brookhaven vía R&D Mag]

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