Un estudio encuentra la clave para mejorar la duración de la batería: interacciones entre partículas

Según informes de medios extranjeros, Feng Lin, profesor asociado del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias de Virginia Tech, y su equipo de investigación descubrieron que la descomposición temprana de la batería parece ser impulsada por las propiedades de las partículas de electrodos individuales, pero después de docenas de cargas. Después del bucle, es más importante cómo encajan esas partículas.

"Este estudio revela los secretos de cómo diseñar y fabricar electrodos de batería para una vida útil prolongada", dijo Lin. Actualmente, el laboratorio de Lin está trabajando en el rediseño de los electrodos de la batería para crear una arquitectura de electrodos de carga rápida, de menor costo, de mayor vida útil y respetuosa con el medio ambiente.

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Un estudio encuentra la clave para mejorar la duración de la batería: interacciones entre partículas
GasgooLiu Liting5小时前
Según informes de medios extranjeros, Feng Lin, profesor asociado del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias de Virginia Tech, y su equipo de investigación descubrieron que la descomposición temprana de la batería parece ser impulsada por las propiedades de las partículas de electrodos individuales, pero después de docenas de cargas. Después del bucle, es más importante cómo encajan esas partículas.

"Este estudio revela los secretos de cómo diseñar y fabricar electrodos de batería para una vida útil prolongada", dijo Lin. Actualmente, el laboratorio de Lin está trabajando en el rediseño de los electrodos de la batería para crear una arquitectura de electrodos de carga rápida, de menor costo, de mayor vida útil y respetuosa con el medio ambiente.

Fuente de la imagen: Feng Lin

"Cuando la arquitectura de los electrodos permita que cada partícula individual responda rápidamente a las señales eléctricas, tendremos una gran caja de herramientas para cargar rápidamente las baterías", dijo Lin. “Estamos entusiasmados de poder comprender la próxima generación de baterías de carga rápida de bajo costo. "

La investigación se llevó a cabo en colaboración con el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía de EE. UU., la Universidad Purdue y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón. Zhengrui Xu y Dong Ho, becarios postdoctorales en el laboratorio de Lin, también son coautores del artículo, lideran la fabricación de electrodos, la fabricación de baterías y las mediciones del rendimiento de las baterías, y ayudan con los experimentos de rayos X y el análisis de datos.

"Los componentes básicos son estas partículas que forman los electrodos de la batería, pero cuando se amplían, estas partículas interactúan entre sí", dijo el científico de SLAC Yijin Liu, miembro de la Fuente de Luz de Radiación Sincrotrón de Stanford (SSRL). "Si quieres fabricar mejores baterías, necesitas saber cómo juntar partículas".

Como parte del estudio, Lin, Liu y otros colegas utilizaron técnicas de visión por computadora para estudiar cómo las partículas individuales que componen los electrodos de las baterías recargables se descomponen con el tiempo. El objetivo esta vez es estudiar no sólo las partículas individuales, sino también las formas en que trabajan juntas para extender o reducir la vida útil de la batería. El objetivo final es aprender nuevas formas de prolongar la vida útil de los diseños de baterías.

Como parte del estudio, el equipo estudió el cátodo de la batería con rayos X. Utilizaron tomografía de rayos X para reconstruir una imagen en 3D del cátodo de la batería después de diferentes ciclos de carga. Luego cortaron estas imágenes 3D en una serie de cortes 2D y utilizaron métodos de visión por computadora para identificar las partículas. Además de Lin y Liu, el estudio incluyó al investigador postdoctoral de SSRL, Jizhou Li, al profesor de ingeniería mecánica de la Universidad Purdue, Keije Zhao, y al estudiante graduado de la Universidad Purdue, Nikhil Sharma.

Finalmente, los investigadores identificaron más de 2.000 partículas individuales, calculando no sólo las características de las partículas individuales, como el tamaño, la forma y la rugosidad de la superficie, sino también características como la frecuencia con la que las partículas estaban en contacto directo entre sí y cuánto cambiaban de forma.

A continuación, observaron cómo cada propiedad causaba que las partículas se descompusieran y descubrieron que después de 10 ciclos de carga, los factores más importantes eran las propiedades de las partículas individuales, incluido qué tan esféricas eran las partículas y la relación entre el volumen de las partículas y el área de la superficie. Sin embargo, después de 50 ciclos, las propiedades de emparejamiento y grupo impulsaron la descomposición de las partículas, como qué tan separadas estaban las dos partículas, cuánto cambió la forma y si las partículas más alargadas con forma de balón de fútbol tenían orientaciones similares.

"La razón ya no es sólo la partícula en sí, sino la interacción entre partículas", dijo Liu. Este hallazgo es importante porque significa que los fabricantes pueden desarrollar técnicas para controlar estas propiedades. Por ejemplo, podrían utilizar campos magnéticos o eléctricos para alinear las partículas alargadas entre sí; los últimos hallazgos sugieren que esto prolongará la vida útil de la batería”.

Lin añadió: “Hemos estado investigando intensamente cómo hacer que las baterías de vehículos eléctricos funcionen de manera eficiente en condiciones de carga rápida y baja temperatura. Además de diseñar nuevos materiales que puedan reducir los costos de las baterías mediante el uso de materias primas más baratas y abundantes, nuestro laboratorio también ha realizado un esfuerzo continuo para comprender el comportamiento de las baterías fuera del equilibrio. Hemos comenzado a estudiar los materiales de las baterías y su respuesta a entornos hostiles”.