Hacer que las baterías de iones de litio sean más seguras y potentes requiere la fórmula adecuada

Un equipo de investigación de la Universidad de Purdue publicó un estudio sobre la relación entre la actividad y los elementos inactivos de las baterías de iones de litio y cómo las micro y nanoestructuras de sus respectivos componentes reflejan el rendimiento y la seguridad de la batería.

El estudio fue publicado recientemente en la portada de la revista ACS Applied Materials & Interfaces.

"Las baterías recargables están en todas partes", dijo ParthaMukherjee, profesor asociado de ingeniería mecánica y director de investigación. “Podemos llevar dos o tres productos electrónicos portátiles con nosotros en cualquier momento. Pero la interacción entre los diferentes elementos de la batería en sí aún no está clara. Mi investigación espera cerrar esta brecha ".

En el laboratorio de Mukherjee, el Laboratorio de Ciencias de la Energía y el Transporte (ETSL), los investigadores estudian diversas formas de transporte y almacenamiento de energía, incluidas las baterías y las pilas de combustible. Utilizan modelos informáticos para proponer nuevas configuraciones que involucran elementos constituyentes y luego prueban diferentes fenómenos en el laboratorio.

“Es como hornear un pastel”, dijo el Dr. AashutoshMistry, candidato a ingeniería mecánica. “¿Cuánta masa debes usar? ¿Cuántas cerezas debes poner para que sepa bien? De la misma manera, veamos las proporciones o recetas básicas de estos electrodos de batería. Todo lo que cambie microscópicamente afectará en última instancia al rendimiento general. "

"Por ejemplo, veamos los coches eléctricos", dijo Mukherjee. “La gente está interesada en tres cosas. Rendimiento: ¿Qué tan rápido puedo conducir? Vida: ¿Cuánto tiempo puedo conducir antes de cargar? Finalmente: problemas de seguridad. Hemos visto fallar estas baterías en público de una manera asombrosa, en teléfonos inteligentes y la explosión de los autos eléctricos. Entonces, estos tres aspectos: desempeño, vida y seguridad son muy importantes. Esto puede ser un equilibrio complicado y hacer que todo salga bien ".

A veces, sus laboratorios están trabajando duro para reproducir fallas intencionales. En un automóvil eléctrico típico, la batería no es una unidad enorme, sino que miles de baterías separadas están conectadas entre sí. Si falla, ¿qué pasa con otras personas cercanas? Para una prueba, se sobrecargó deliberadamente un módulo de muestra de 24 unidades (aproximadamente un tamaño de ladrillo). Una célula explota, incendiando todas las células en una reacción en cadena.

"La temperatura y la presión dentro de una batería es muy alta, derrite la carcasa de metal y provoca un incendio", dijo el Dr.. Candidato Daniel Robles, porque sostenía un cuerpo chamuscado con una bolsa de plástico. “En un automóvil eléctrico, hay miles de baterías de este tipo, ¡todas debajo de su asiento! Por eso es importante comprender los conceptos básicos de estos fenómenos, para que podamos evitar que suceda ".

Las baterías recargables comprenden típicamente un electrodo positivo y un electrodo negativo, compuestos de "material activo" para almacenar litio. Entre los dos electrodos hay una membrana y hay un electrolito líquido durante todo el proceso para transportar iones de litio. Finalmente, la combinación de materiales electroquímicamente inactivos tales como aditivos conductores y aglutinantes (denominados "segunda fase") ayuda a dar forma a los componentes físicos en el electrodo poroso compuesto y mejorar la conductividad eléctrica. En un estudio publicado, Mukherjee y su equipo estudiaron la relación entre las fases activa y secundaria en las escalas micro y nano: porosidad, forma física y sus interacciones. Cambiar cualquiera de estas características puede resultar en cambios significativos en el rendimiento general de la batería.

"Todavía estamos en las primeras etapas de comprensión de estas complejas interacciones", dijo Mukherjee. “Pero esta es la clave de nuestra investigación. Conectamos el desarrollo a micro y nanoescala con el rendimiento, la vida y la seguridad de la batería ".

Con la popularidad de las baterías recargables, la investigación se ha vuelto más importante. “Desde dispositivos electrónicos portátiles hasta vehículos, incluso en grandes redes eléctricas, las baterías se utilizan ampliamente. Este es un momento muy emocionante para la investigación del almacenamiento de energía ”.

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