Las baterías de litio se encuentran en todas partes: alimentan teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y bicicletas eléctricas y automóviles almacenando energía en un espacio muy pequeño. Este diseño compacto generalmente se logra enrollando el delgado sándwich de electrodos de batería en forma cilíndrica. Esto esporque los electrodos deben tener grandes superficies para facilitar la alta capacidad y la carga rápida
Un equipo internacional de investigadores de Helmholtz-Zentrum Berlin y University College London ha investigado las superficies de los electrodos durante la carga y descarga utilizando por primera vez una combinación de dos métodos de tomografía complementaria. Empleando tomografía de rayos X en la radiación europea de sincrotrónFacility ESRF en Grenoble, pudieron analizar la microestructura de los electrodos y detectar deformaciones y discontinuidades que se desarrollan durante los ciclos de carga.
"La tomografía de neutrones, por otro lado, permitió observar directamente la migración de iones de litio y también determinar cómo cambia la distribución del electrolito en la celda de la batería con el tiempo", explica el Dr. Ingo Manke, experto en tomografía deHZB. Los datos de la tomografía de neutrones se obtuvieron principalmente en la fuente de neutrones HZB BER II en el instrumento CONRAD, una de las mejores estaciones de tomografía del mundo.
Se obtuvieron datos adicionales en la fuente de neutrones del Institut Laue-Langevin ILL, Grenoble, donde con la ayuda del equipo de expertos de HZB se está instalando una primera estación de imágenes de neutrones. Tras el cierre de BER II enDiciembre de 2019, el instrumento CONRAD se transferirá a ILL para que esté disponible para investigación en el futuro.
Un nuevo método matemático desarrollado en el Zuse-Institut de Berlín permitió a los físicos desenrollar virtualmente los electrodos de la batería, porque los devanados cilíndricos de la batería son difíciles de examinar cuantitativamente. Solo después del análisis matemático y el desenrollado virtual se pudieron sacar conclusionessobre procesos en las secciones individuales del devanado.
"El algoritmo fue originalmente diseñado para rollos de papiro que se desenrollan virtualmente", explica Manke. "Pero también se puede usar para averiguar exactamente qué sucede en baterías compactas densamente enrolladas".
El Dr. Tobias Arlt de HZB continúa: "Esta es la primera vez que aplicamos el algoritmo a una batería de litio típica disponible comercialmente. Modificamos y mejoramos el algoritmo en varios pasos de retroalimentación en colaboración con científicos informáticos del Zuse-Institut."
Los problemas característicos con las baterías enrolladas se pudieron investigar utilizando este método. Por ejemplo, los devanados internos exhibieron una actividad electroquímica completamente diferente y, por lo tanto, la capacidad de litio que los devanados externos. Además, las partes superior e inferior de la bateríase comportó de manera muy diferente. Los datos de neutrones también mostraron áreas donde se desarrolló una falta de electrolitos, lo que limitó severamente el funcionamiento de la sección del electrodo respectivo. También podría demostrarse que el ánodo no está igualmente bien cargado y descargado con litio en todas partes.
"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. Esto nos permite desarrollar estrategias específicas para mejorar el diseño de las baterías enrolladas", concluye Manke.
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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