Durante años, las pequeñas baterías recargables de iones de litio han suministrado energía de manera confiable a miles de millones de dispositivos portátiles. Pero los fabricantes de aplicaciones de alta energía, como automóviles eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía, buscan nuevos electrodos y materiales para electrodos. Michael Metzger, investigador delLa Universidad Técnica de Munich TUM ha desarrollado una nueva celda de prueba de batería que permite investigar las reacciones aniónicas y catiónicas por separado. Recientemente, el investigador recibió el Premio Evonik Research por su trabajo.
Los sistemas de almacenamiento de energía están en demanda como nunca antes. Miles de millones de teléfonos móviles y tabletas necesitan electricidad para ir. Agregue a esto el creciente número de autos eléctricos. Pero, las baterías de alto rendimiento también pueden almacenar energía renovable producida por turbinas eólicas y solarescélulas para que se pueda alimentar a la red en días nublados y sin viento.
"Los fabricantes de baterías recargables se basan en la tecnología probada de iones de litio, que se ha implementado en dispositivos móviles como computadoras portátiles y teléfonos celulares durante muchos años", informa el investigador de TUM Michael Metzger. "Sin embargo, el desafío de adaptar esta tecnología alas demandas de electromovilidad y almacenamiento estacionario de energía eléctrica no son triviales "
Las baterías recargables estándar solo son marginalmente adecuadas para un alto rendimiento: "Para aumentar la densidad de energía, debe aumentar el voltaje o la capacidad, y ahí es donde los materiales de electrodos tradicionales y los fluidos electrolíticos alcanzan sus límites", explica el físico.
La investigación se está ejecutando a todo ritmo en todo el mundo. Por ejemplo, los ingenieros están experimentando con materiales de electrodos especiales que pueden proporcionar un voltaje de casi 5 voltios, en lugar del máximo actual de 4.2 a 4.3 voltios.
Consulte a su ingeniero sobre riesgos y efectos secundarios
Pero este "dopaje de la batería" también tiene efectos secundarios. Los cambios en la composición química de los electrodos y electrolitos pueden provocar caídas en el rendimiento de la batería después de solo unos pocos ciclos de carga o la formación de gases en los electrodos que hacen que las baterías se disparen.
"El futuro de las baterías de iones de litio depende de controlar estas reacciones indeseables", predice Metzger. Ya ha cumplido un requisito previo para este fin: los procesos químicos que se producen durante la carga y descarga se pueden investigar en detalle utilizandonueva celda de prueba de batería que desarrolló con su equipo.
Una celda de prueba para las baterías del futuro
Los investigadores pasaron tres años trabajando en su aparato. "Normalmente, los fluidos electrolíticos y los electrodos, el cátodo positivo y el ánodo negativo, están en un intercambio electroquímico permanente", dice Metzger. "Hasta ahora no ha sido posible investigar elreacciones en el ánodo y el cátodo independientemente uno del otro. Somos los primeros en manejar esto con éxito ".
La clave: la celda de prueba de la batería, que, como todas las baterías de iones de litio, comprende un ánodo, un cátodo y electrolitos, no está completamente sellada, sino que está equipada con un capilar fino. Esto permite que los gases que se liberan durante la carga ydescarga para muestrear e investigar usando un espectrómetro de masas.
Para estudiar los procesos en ánodos y cátodos independientemente uno del otro, los ingenieros también modificaron la membrana, una delgada plaqueta de cerámica de vidrio recubierta con aluminio y materiales sintéticos, para que sea permeable no solo por iones de litio, sino también por todos los demáscomponentes del fluido electrolítico.
El agua es veneno para una batería
Utilizando su celda de prueba, los investigadores pudieron, por primera vez, explicar con precisión qué sucede dentro de una batería de alto voltaje. Los resultados demuestran que la estabilidad de los electrodos y electrolitos depende de varios factores, por ejemplo, el voltaje de carga,temperatura de funcionamiento e incluso las más pequeñas impurezas químicas :
Medición en la práctica
"Para los usuarios finales industriales, la nueva metodología de medición es extremadamente interesante", dice el profesor Hubert Gasteiger, que preside el Departamento de Electroquímica Técnica. "En nuestras investigaciones, pudimos demostrar que el desarrollo de gases en baterías puedereducirse agregando las mezclas correctas al fluido electrolítico o inhibiendo la diafonía entre los electrodos ".
Un resultado de investigación, en particular, tiene una consecuencia directa en la práctica: cuanto mayor sea el voltaje deseado, menor será la humedad residual que pueden contener los materiales. Los fabricantes podrían extender la vida útil de las futuras células al reemplazar el electrolito de carbonato de etileno con componentes de solución más estables.
Pero aquí está el diablo en los detalles: se requiere una pequeña cantidad de carbonato de etileno en los sistemas actuales para pacificar el ánodo. La nueva celda permite que los procesos en el ánodo y el cátodo se observen de forma independiente, lo que posiblemente conduzca al descubrimiento desoluciones completamente nuevas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Munich TUM . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
Cite esta página :