Investigadores de la Universidad del Sur de California están trabajando en el desarrollo para evitar el deterioro de la integridad estructural de las baterías de iones de litio, que es una de las razones que conducen a una disminución de la funcionalidad con el tiempo.

Su solución es introducir “estiramiento” en los materiales de la batería para que puedan realizar ciclos repetidamente sin fatiga estructural.

En un artículo publicado en el Journal of Mechanics and Physics of Solids, el equipo de la USC explica que una batería típica funciona a través de un ciclo repetido de inserción y extracción de leones de electrodos. Este proceso expande y comprime las matrices de electrodos, y estos cambios de volumen crean microfisuras, grietas y defectos con el tiempo, lo que resulta en la degradación estructural y la reducción de la capacidad de la batería.

"En última instancia, necesitamos reemplazar estas baterías, que no solo son caras sino que también agotan los elementos de tierras raras utilizados en su producción", dijo el grupo en un comunicado de prensa.

Para desalentar la degradación, Deling Zhang, el autor principal del artículo, que estudia los materiales de intercalación, una clase de materiales utilizados como electrodos en baterías de iones de litio, estira estos electrodos de intercalación por adelantado. Este cambio en el estado de tensión inicial regula las tensiones de la conversión de fase, lo que hace que los electrodos sean más resistentes a la rotura o amorfización, lo que significa que pierden sus propiedades cristalinas.

Al estirar los electrodos antes de la carga/descarga, los investigadores alteraron el paisaje de energía a través del cual el electrodo se mueve de un estado cargado a un estado descargado. (Gráfico de Delin Zhang, cortesía de USC).

"Al estirar los electrodos antes de cargar y descargar, estamos cambiando el panorama energético a través del cual el electrodo pasa de un estado cargado a un estado descargado", dijo Zhang.

"Esta limitación inicial nos permite reducir la barrera de energía a estas transformaciones y evitar las deformaciones destructivas de la red que conducen a la destrucción del material. Este cambio en el panorama energético ayuda a prevenir las microfisuras y grietas al proteger la durabilidad de la batería y su capacidad de almacenamiento de energía.

Una ventaja adicional de este enfoque es que al estirar los electrodos, la batería también puede operar en una ventana de voltaje más amplia, lo que la hace más eficiente en su capacidad de almacenamiento de energía.

El desarrollo de Zhang también se ve como un paso hacia baterías más seguras y duraderas, al tiempo que resuelve los problemas mecánicos asociados con los electrolitos líquidos inflamables comúnmente utilizados en las baterías al reemplazarlos con materiales sólidos.

La coautora Ananya Renuka-Balakrishna explicó que los objetos sólidos pueden colapsar con el tiempo bajo estrés repetido, y dijo que una vez que aparece una grieta, ambos lados de la superficie perderán contacto. En el caso de una batería, sin conexión, es difícil transportar iones a través del material.

Según Renuki-Balakrishna, la novedad de este enfoque es que, en lugar de encontrar un nuevo material para extender la vida útil de la batería, es posible mejorar la vida útil de un material existente mediante la introducción de conceptos de mecánica fundamental.

"La mecánica no siempre ha sido una parte integral del desarrollo de la batería", dijo Renuka-Balakrishna. "Pero ahora los ingenieros pueden jugar con esta teoría/herramienta que Zhang creó y trabajar en el diseño de materiales para baterías".

El equipo cree que aumentar la duración de la batería será beneficioso para los usuarios de dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos, permitiendo un uso más prolongado de los dispositivos y minimizando el reemplazo de la batería, ahorrando así dinero y recursos a lo largo del tiempo.