Los investigadores de baterías constatan una vida útil extremadamente larga
Los científicos investigaron una nueva tecnología de pilas con los llamados electrodos monocristalinos, que tienen una vida útil significativamente más larga que las pilas convencionales. Las pruebas demostraron que la nueva batería sobrevivió a más de 20.000 ciclos de carga antes de que su capacidad descendiera al 80% de su capacidad original. La batería convencional de iones de litio utilizada para la comparación alcanzó la marca del 80% tras unos 2.400 ciclos de carga. Los 20.000 ciclos corresponden a un kilometraje de un coche eléctrico de ocho millones de kilómetros.
Sin embargo, la publicación actual de los investigadores no trata esencialmente de los electrodos monocristalinos (más adelante se hablará de ello), ya que la célula que ahora se investiga se ha sometido a ciclos (es decir, se ha cargado y descargado) durante seis años para alcanzar los 20.000 ciclos: su tecnología tiene ya varios años. El método utilizado para analizar la célula monocristalina NMC532 y, a modo de comparación, una célula convencional policristalina NMC622 es nuevo: con un sincrotrón de alta energía XRD (SR-XRD).
La difracción de rayos X (DRX) se ha utilizado durante décadas para experimentos de baterías in situ y operando, en los que las celdas de las baterías pueden analizarse de forma no destructiva durante su funcionamiento. Con el desarrollo de la tecnología SR-XRD, es posible obtener imágenes de alta resolución. Sin embargo, esto requiere fuentes de radiación avanzadas, lo que ha limitado el número de estudios correspondientes. En su publicación, los investigadores de Dalhouise señalan que "existen relativamente pocos estudios publicados de SR-XRD que hayan utilizado celdas fabricadas comercialmente para estudiar la degradación".
"El objetivo principal de nuestra investigación era comprender cómo progresan con el tiempo los daños y la fatiga en el interior de una batería, y cómo podemos prevenirlos", afirma Toby Bond, científico principal del CLS, que realizó la investigación para su doctorado bajo la supervisión del profesor Jeff Dahn, profesor emérito e investigador principal (beca de la Alianza NSERC/Tesla Canadá/Dalhousie) en la Universidad de Dalhousie. Tesla Canadá y NSERC financiaron el estudio como parte del programa de subvenciones de la Alianza.
En la célula policristalina NMC622, el equipo de investigación detectó numerosas grietas microscópicas en los electrodos causadas por las repetidas cargas y descargas (durante unos 2,5 años en esta célula). "Finalmente, había tantas grietas que el electrodo quedó esencialmente pulverizado", afirma Bond. Sin embargo, cuando se radiografió la célula monocristalina NMC532, los investigadores no pudieron reconocer ninguna de esas tensiones mecánicas en forma de grietas. "En nuestras imágenes, se parecía mucho a una célula nueva. Casi no podíamos notar la diferencia", añade Bond.
Los investigadores atribuyen este comportamiento tan diferente no a la composición ligeramente distinta del cátodo (NMC532 a NMC622), sino a la estructura de las partículas. Las partículas del material activo que se encuentran en la superficie del cátodo son hasta 50 veces más pequeñas que un cabello humano. En el caso de los electrodos policristalinos que se utilizan habitualmente en la actualidad, los investigadores comparan su estructura con la de los copos de nieve prensados para formar una bola de nieve: las estructuras extremadamente finas se entrelazan de forma muy compleja, pero hay espacios libres entre ellas. En esta analogía, el cristal único se parece más a un cubito de hielo. "Si tiene una bola de nieve en una mano y un cubito de hielo en la otra, es mucho más fácil aplastar la bola de nieve", afirma Bond. "El cubito de hielo es mucho más resistente a la tensión mecánica".
Este hallazgo no es en sí mismo innovador, pues ya se conoce la resistencia de los monocristales a las microfisuras. Sin embargo, los nuevos y detallados resultados de la investigación podrían utilizarse para desarrollar "estrategias para mitigar las microfisuras, como revestimientos, cátodos monocristalinos u otras intervenciones utilizadas en la industria".
"En conjunto, estos experimentos [comparación de células policristalinas y monocristalinas, nota del editor] muestran lo complejos y variados que pueden ser los efectos de la degradación, y cómo pueden suprimirse drásticamente mediante el uso de cátodos monocristalinos", afirma el estudio.
Los investigadores no están interesados en poder recorrer realmente ocho millones de kilómetros en un coche eléctrico con una sola batería, sino en todo su uso más allá de su utilización en el vehículo. Jeff Dahn ya lo había dejado claro en una conferencia en 2022 que una batería con 800 ciclos sería suficiente para un coche eléctrico, pero una batería con 10.000 ciclos podría utilizarse durante 25 años como sistema estacionario de almacenamiento de energía para que el sistema energético dependa menos de los combustibles fósiles.
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