Ver la conducta de iones individuales de litio dentro de pilas eléctricas en funcionamiento

Las baterías de ión-litio están en el corazón energético de casi todos nuestros productos electrónicos, desde teléfonos móviles hasta ordenadores tabletas, y también en vehículos eléctricos. Eso es el resultado de que son una tecnología probada y de que son ligeras, tienen una larga duración y almacenan bastante energía. Pero no son perfectas. Entre otras cosas, sería deseable que su autonomía entre cada recarga fuese mayor. Por ejemplo, un automóvil completamente eléctrico, como el Nissan Leaf, puede recorrer hasta 100 millas (unos 160 kilómetros) con una sola recarga. Es una autonomía bastante buena, pero lo ideal sería llegar a las 300 millas (unos 480 kilómetros).

Para obtener más energía de las baterías de ión-litio, o para que soporten más ciclos de carga-descarga antes de deteriorarse, los científicos están experimentando con diferentes materiales complementarios y diseños. Sin embargo, lo importante en una batería se produce a escala atómica, y ha sido casi imposible saber que ocurre exactamente a dicha escala. Ahora, el equipo de Reza Shahbazian-Yassar, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Tecnológica de Michigan (Michigan Tech), en Estados Unidos, ha desarrollado una técnica de microscopía que permite a los investigadores observar iones de litio individuales dentro de pilas en funcionamiento. Eso ofrece un medio idóneo de averiguar cuáles son exactamente los puntos débiles dentro de una batería y hacer modificaciones que los mejoren.


Arriba, -a- la configuración de la nanobatería dentro del microscopio. Abajo, -b-, imágenes de resolución atómica de los primeros iones de litio entrando en un nanocable de óxido de estaño. Las imágenes muestran los canales paralelos de ión-litio y la formación de dislocaciones en el extremo de los canales. (Imagen: Reza Shahbazian-Yassar)

Las pilas son bastante simples. Tienen tres componentes fundamentales: un ánodo, un cátodo y un electrolito entre estos dos. En las baterías de litio, los iones de litio viajan en uno u otro sentido entre el ánodo y el cátodo a medida que la batería se carga o descarga. Los ánodos de las baterías de ión-litio generalmente están hechos de grafito, pero los científicos están probando otros materiales para ver si resultan ser más duraderos.

En cuanto el litio penetra en un electrodo, aplica tensión estructural al material, y con el paso del tiempo dicho material se degrada tanto que la batería acaba por no funcionar. Si se pudiera ver el proceso de degradación a escala atómica desde dentro de la pila, sobre todo en sus fases iniciales, sería factible identificar las estrategias más idóneas para solventar los problemas que conducen a esa degradación rápida.

En pruebas con un electrodo, el equipo de Shahbazian-Yassar ha logrado observar cómo los iones individuales de litio entran dentro del electrodo. Y una de las cosas llamativas que han visto es que los iones de litio se mueven por canales específicos a medida que fluyen hacia dentro de los cristales del material del electrodo, en lugar de hacerlo por cualquier ruta y de forma esencialmente aleatoria. Basándose en estos datos, los investigadores han podido calcular el grado de agresión que los electrodos soportan de los iones.

Este descubrimiento ha despertado el interés de la industria así como de laboratorios, por la oportunidad de utilizar esta capacidad de resolución atómica en trabajos propios de desarrollo de baterías.

Junto con Shahbazian-Yassar, también han trabajado Hasti Asayesh-Ardakani y Anmin Nie, del Michigan Tech; Li-Yong Gan, Yingchun Cheng y Udo Schwingeschlogl de la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología en Arabia Saudita; Qianquin Li, Cezhou Dong y Tao Wang de la Universidad de Zhejiang en China; y Farzad Mashayek y Robert Klie de la Universidad de Illinois en Chicago.

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