Grietas en las baterÃas de ion-litio aceleran la recarga
En lugar de ser únicamente perjudiciales, las grietas en el electrodo positivo de las baterÃas de iones de litio reducen el tiempo de carga de la baterÃa.
Esto va en contra de la opinión de muchos fabricantes de vehÃculos eléctricos, que intentan minimizar el agrietamiento porque disminuye la vida útil de la baterÃa, según muestra una investigación realizada en la Universidad de Michigan
"Muchas empresas están interesadas en fabricar baterÃas de 'millones de kilómetros' utilizando partÃculas que no se agrietan. Desafortunadamente, si se eliminan las grietas, las partÃculas de la baterÃa no podrán cargarse rápidamente sin el área de superficie adicional de esas grietas", explica en un comunicado Yiyang Li, profesor asistente de ciencia e ingenierÃa de materiales y autor correspondiente del estudio publicado en Energy & Environmental Science. "En un viaje por carretera, no queremos esperar cinco horas a que se cargue un automóvil. Queremos cargarlo en 15 o 30 minutos".
El equipo cree que los hallazgos se aplican a más de la mitad de todas las baterÃas de vehÃculos eléctricos, en las que el electrodo positivo, o cátodo, está compuesto por billones de partÃculas microscópicas hechas de óxido de litio, nÃquel, manganeso y cobalto u óxido de litio, nÃquel, cobalto y aluminio.
En teorÃa, la velocidad a la que se carga el cátodo se reduce a la relación superficie-volumen de las partÃculas. Las partÃculas más pequeñas deberÃan cargarse más rápido que las partÃculas más grandes porque tienen un área de superficie más alta en relación con el volumen, por lo que los iones de litio tienen distancias más cortas para difundirse a través de ellas.
Sin embargo, los métodos convencionales no podÃan medir directamente las propiedades de carga de las partÃculas de cátodo individuales, solo el promedio de todas las partÃculas que forman el cátodo de la baterÃa. Esa limitación significa que la relación ampliamente aceptada entre la velocidad de carga y el tamaño de las partÃculas del cátodo era simplemente una suposición.
"Descubrimos que las partÃculas del cátodo están agrietadas y tienen superficies más activas para absorber iones de litio, no solo en su superficie exterior, sino también dentro de las grietas de las partÃculas", dijo Jinhong Min, estudiante de doctorado en ciencia e ingenierÃa de materiales que trabaja en el laboratorio de Li. "Los cientÃficos de baterÃas saben que se produce el agrietamiento, pero no han medido cómo afecta dicho agrietamiento a la velocidad de carga".
Medir la velocidad de carga de las partÃculas individuales del cátodo fue clave para descubrir la ventaja de romper los cátodos, lo que Li y Min lograron insertando las partÃculas en un dispositivo o matriz que los neurocientÃficos suelen utilizar para estudiar cómo las células cerebrales individuales transmiten señales eléctricas.
Cada matriz es un chip de 2 por 2 centÃmetros diseñado a medida con hasta 100 microelectrodos. Después de dispersar algunas partÃculas de cátodo en el centro del chip, Min movió partÃculas individuales a sus propios electrodos en la matriz usando una aguja alrededor de 70 veces más delgada que un cabello humano. Una vez que las partÃculas estaban en su lugar, Min podÃa cargar y descargar simultáneamente hasta cuatro partÃculas individuales a la vez en la matriz y midió 21 partÃculas en este estudio en particular.
El experimento reveló que las velocidades de carga de las partÃculas del cátodo no dependÃan de su tamaño. Li y Min creen que la explicación más probable para este comportamiento inesperado es que las partÃculas más grandes en realidad se comportan como una colección de partÃculas más pequeñas cuando se rompen. Otra posibilidad es que los iones de litio se muevan muy rápidamente en los lÃmites de los granos, los diminutos espacios entre los cristales a nanoescala que componen la partÃcula del cátodo.
Li cree que esto es poco probable a menos que el electrolito de la baterÃa, el medio lÃquido en el que se mueven los iones de litio, penetre estos lÃmites y forme grietas.
Es importante tener en cuenta los beneficios de los materiales agrietados cuando se diseñan baterÃas de larga duración con partÃculas monocristalinas que no se agrietan. Para cargarse rápidamente, es posible que estas partÃculas deban ser más pequeñas que las partÃculas de cátodo de craqueo actuales. La alternativa es hacer cátodos monocristalinos con diferentes materiales que puedan mover el litio más rápido, pero esos materiales podrÃan estar limitados por el suministro de metales necesarios o tener densidades de energÃa más bajas, dijo Li.
