25.06.2021 - University of Cambridge

Una técnica de imagen de bajo coste muestra cómo las baterías de los smartphones podrían cargarse en minutos

"Esta técnica podría ser una pieza importante del rompecabezas en el desarrollo de las baterías de próxima generación"

Los investigadores han desarrollado una sencilla técnica de laboratorio que les permite observar el interior de las baterías de iones de litio y seguir el movimiento de los iones de litio en tiempo real mientras las baterías se cargan y descargan, algo que no había sido posible hasta ahora.

Gracias a esta técnica de bajo coste, los investigadores han identificado los procesos que limitan la velocidad y que, si se solucionan, podrían permitir que las baterías de la mayoría de los teléfonos inteligentes y ordenadores portátiles se cargaran en tan sólo cinco minutos.

Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, afirman que su técnica no sólo ayudará a mejorar los materiales de las baterías actuales, sino que podría acelerar el desarrollo de las baterías de nueva generación, uno de los mayores obstáculos tecnológicos que hay que superar en la transición hacia un mundo sin combustibles fósiles. Los resultados se publican en la revista Nature.

Aunque las baterías de iones de litio tienen ventajas innegables, como una densidad energética relativamente alta y una larga vida útil en comparación con otras baterías y medios de almacenamiento de energía, también pueden recalentarse o incluso explotar, y su producción es relativamente cara. Además, su densidad energética no se acerca a la de la gasolina. Hasta ahora, esto las hace inadecuadas para su uso generalizado en dos importantes tecnologías limpias: los coches eléctricos y el almacenamiento a escala de red para la energía solar.

"Una batería mejor es la que puede almacenar mucha más energía o la que puede cargarse mucho más rápido, idealmente ambas", afirma el coautor, el Dr. Christoph Schnedermann, del Laboratorio Cavendish de Cambridge. "Pero para fabricar mejores baterías con nuevos materiales, y para mejorar las que ya utilizamos, tenemos que entender lo que ocurre en su interior".

Para mejorar las baterías de iones de litio y ayudar a que se carguen más rápido, los investigadores tienen que seguir y comprender los procesos que ocurren en los materiales en funcionamiento bajo condiciones realistas en tiempo real. En la actualidad, esto requiere sofisticadas técnicas de microscopía electrónica o de rayos X de sincrotrón, que llevan mucho tiempo y son caras.

"Para estudiar realmente lo que ocurre en el interior de una batería, hay que conseguir que el microscopio haga dos cosas a la vez: tiene que observar la carga y la descarga de las baterías durante un periodo de varias horas, pero al mismo tiempo tiene que captar procesos muy rápidos que ocurren en el interior de la batería", explica la primera autora, Alice Merryweather, estudiante de doctorado en el Laboratorio Cavendish de Cambridge.

El equipo de Cambridge desarrolló una técnica de microscopía óptica llamada microscopía de dispersión interferométrica para observar estos procesos en funcionamiento. Con esta técnica, pudieron observar la carga y descarga de partículas individuales de óxido de cobalto y litio (a menudo denominadas LCO) midiendo la cantidad de luz dispersa.

Pudieron ver cómo el LCO pasaba por una serie de transiciones de fase en el ciclo de carga y descarga. Los límites de fase dentro de las partículas de LCO se mueven y cambian a medida que los iones de litio entran y salen. Los investigadores descubrieron que el mecanismo del límite en movimiento es diferente dependiendo de si la batería se está cargando o descargando.

"Descubrimos que hay diferentes límites de velocidad para las baterías de iones de litio, dependiendo de si se está cargando o descargando", dijo el Dr. Akshay Rao, del Laboratorio Cavendish, que dirigió la investigación. "Cuando se carga, la velocidad depende de la rapidez con la que los iones de litio pueden atravesar las partículas de material activo. Cuando se descarga, la velocidad depende de la rapidez con la que los iones se introducen en los bordes. Si podemos controlar estos dos mecanismos, las baterías de iones de litio podrían cargarse mucho más rápido".

"Dado que las baterías de iones de litio se utilizan desde hace décadas, se podría pensar que sabemos todo lo que hay que saber sobre ellas, pero no es así", afirma Schnedermann. "Esta técnica nos permite ver lo rápido que puede ser un ciclo de carga-descarga. Lo que realmente esperamos es utilizar la técnica para estudiar los materiales de las baterías de próxima generación: podemos utilizar lo que hemos aprendido sobre el LCO para desarrollar nuevos materiales."

"La técnica es una forma bastante general de observar la dinámica de los iones en los materiales de estado sólido, por lo que se puede utilizar en casi cualquier tipo de material de batería", dijo la profesora Clare Grey, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, que codirigió la investigación.

El alto rendimiento de la metodología permite muestrear muchas partículas en todo el electrodo y, de cara al futuro, permitirá seguir explorando qué ocurre cuando las baterías fallan y cómo evitarlo.

"Esta técnica de laboratorio que hemos desarrollado supone un gran cambio en la velocidad de la tecnología para poder seguir el rápido funcionamiento interno de una batería", afirma Schnedermann. "El hecho de que podamos ver cómo cambian estos límites de fase en tiempo real fue realmente sorprendente. Esta técnica podría ser una pieza importante del rompecabezas en el desarrollo de las baterías de próxima generación."

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