Las baterías de iones de litio no se quedan ahí almacenando energía. Respiran. Bueno, más o menos.
Cada vez que cargas tu teléfono o desenchufas un coche eléctrico, las partes internas de la batería se expanden y contraen sutilmente. A lo largo de miles de ciclos, ese movimiento se acumula. Según una nueva investigación, esta respiración mecánica deforma sutilmente las baterías desde dentro hacia fuera, debilitándolas hasta que fallan.
El descubrimiento ayuda a explicar un antiguo misterio en la ciencia energética: por qué incluso las baterías bien diseñadas inevitablemente pierden capacidad de manera constante, sin importar cuán cuidadosamente se las utilice.
El trabajo es fruto de una colaboración entre investigadores de la Universidad de Texas en Austin, la Universidad del Noreste, la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Argonne. Sus hallazgos se publicaron la semana pasada en Science.
Baterías que se expanden y contraen hasta destruirse
Todas las baterías, independientemente de su tipo, se degradan con el tiempo y el uso. Lo que los ingenieros no han comprendido del todo es cómo los cambios microscópicos se convierten en fallos macroscópicos.
La nueva investigación apunta a un proceso denominado degradación quimiomecánica. Cada ciclo de carga empuja los iones de litio hacia los electrodos de la batería. La descarga los extrae. Este movimiento químico provoca estrés físico.
“Con cada respiración de la batería, se produce cierto grado de irreversibilidad”, afirma Yijin Liu, profesor asociado de la Universidad de Texas en Austin y líder del estudio. “Este efecto se acumula con el tiempo y, finalmente, provoca el fallo de la celda”.
Piensa en ello como doblar un clip. Una sola curva no hace nada. Mil curvas lo parten por la mitad.
Lo que hace que las baterías sean especialmente vulnerables es el hecho de que cada electrodo contiene cientos de miles de partículas microscópicas agrupadas, todas ellas respondiendo de manera diferente al estrés.
Una reacción en cadena dentro de los electrodos
Los investigadores descubrieron algo nuevo dentro de este abarrotado mundo microscópico: cascadas de tensión.
Estas cascadas se producen cuando la tensión se acumula en una región de un electrodo y se extiende hacia afuera, provocando daños en otras zonas. Se asemeja menos a un estiramiento uniforme y más a una grieta que se extiende por el hielo.
“Pudimos observar que cada partícula se comporta de manera diferente bajo estrés electroquímico”, afirma Juner Zhu, profesor adjunto de la Universidad Northeastern y coautor del estudio, según un comunicado de prensa. “Algunas partículas se mueven rápidamente, como estrellas fugaces en el cielo, mientras que otras permanecen relativamente estables. Este comportamiento desigual crea un estrés localizado que puede provocar grietas y otros daños”.
Ese movimiento desigual importa. Cuando una partícula se desplaza rápidamente y sus vecinas no, se genera tensión mecánica. Con el tiempo, esas zonas estresadas se fracturan. Se forman grietas y las vías eléctricas se rompen de forma natural. Una vez que esto comienza, la degradación se acelera.
Observando las fallas de las baterías en tiempo real
Utilizando herramientas avanzadas de imagen, como la microscopía de rayos X de transmisión operando y la laminografía de rayos X 3D, los investigadores capturaron imágenes en tiempo real de los electrodos durante la carga y la descarga. Estas técnicas permiten a los científicos observar el interior de las baterías intactas sin cortarlas ni alterarlas físicamente.
Este enfoque refleja una tendencia más amplia en la ciencia de los materiales. Durante la última década, los investigadores han recurrido cada vez más a métodos de “operando”, es decir, al estudio de los materiales en su funcionamiento, en lugar de tras un fallo. Este cambio ya ha transformado campos como la catálisis y la investigación en semiconductores. En cuanto a las baterías, está demostrando ser igual de potente.
Los primeros indicios de este comportamiento respiratorio aparecieron inesperadamente, mientras el equipo estudiaba un dispositivo completamente distinto: auriculares inalámbricos comerciales. Las diminutas baterías que contenían revelaron las mismas tensiones mecánicas observadas en celdas más grandes.
Por qué esto importa más allá de los gadgets
La degradación de las baterías no es solo un inconveniente. Es un cuello de botella para la tecnología climática.
Los vehículos eléctricos dependen de baterías que deben sobrevivir años de carga diaria. Las redes de energía renovable dependen de sistemas de almacenamiento con ciclos constantes. La corta vida útil de las baterías aumenta los costos, incrementa los residuos y frena la adopción de tecnologías limpias que el mundo necesita con tanta urgencia.
Al señalar cómo y dónde se acumula la tensión mecánica, la nueva investigación ofrece una guía práctica para los diseñadores de baterías. Por ejemplo, el equipo sugiere que aplicar una presión cuidadosamente controlada a las celdas de la batería podría ayudar a limitar la deformación perjudicial. Los ingenieros también podrían rediseñar los electrodos para que las partículas se muevan de forma más uniforme, reduciendo así las cascadas de tensión antes de que se produzcan.
“Nuestro objetivo final es la creación de tecnologías avanzadas que puedan aumentar sustancialmente la utilidad y la durabilidad de las baterías”, afirma Jason Croy, líder de grupo en el Laboratorio Nacional Argonne y coautor del estudio. “Comprender cómo el diseño de los electrodos influye en su respuesta al estrés es un paso fundamental para ampliar los límites de las capacidades de las baterías”.
De células “respirables” a un mejor futuro energético
Los nuevos hallazgos no reemplazan las explicaciones previas sobre la degradación de las baterías. La temperatura aún acelera la descomposición química. Cargar demasiado rápido aún promueve el enchapado de litio. Los altos voltajes aún llevan a los electrolitos más allá de sus límites. Sin embargo, la tensión mecánica puede amplificar todos estos efectos al crear fracturas, aislar partículas e interrumpir las vías eléctricas.
La investigación sobre baterías suele centrarse en nuevos materiales, electrolitos y reacciones químicas. Este estudio nos recuerda que la física es igualmente importante.
Una batería no es una caja estática. Es un sistema dinámico, en constante movimiento a escalas tan pequeñas que no podemos apreciarlas a simple vista.
Al considerar las baterías como organismos mecánicos que envejecen con cada respiración, los científicos están replanteando un problema conocido. El siguiente paso, según los investigadores, es desarrollar modelos teóricos que vinculen más estrechamente las reacciones químicas y el estrés mecánico.
Si lo logran, las baterías futuras podrían deformarse, pero lo harán sin desintegrarse lentamente. O tal vez, si este objetivo es demasiado ambicioso, las baterías podrían al menos durar más. Cada segundo cuenta. En algunos casos, eso podría marcar la diferencia entre sistemas de energía que simplemente funcionan y otros que realmente duran.
Fuente: ZME Science.