Investigadores de Stanford desarrollan un nuevo modelo matemático para construir baterías de metal de litio mejores y más seguras
El nuevo modelo ofrece soluciones potenciales para los desafíos de la batería de próxima generación.
Las baterías de metal de litio son una gran promesa como dispositivos de almacenamiento de energía de próxima generación. En comparación con los dispositivos de iones de litio, las baterías de metal de litio contienen más energía, se cargan más rápido y pesan considerablemente menos.
Sin embargo, hasta la fecha, el uso comercial de baterías recargables de metal de litio ha sido limitado. Una razón principal es la formación de “dendritas”: estructuras delgadas, metálicas, en forma de árbol que crecen a medida que el litio metálico se acumula en los electrodos dentro de la batería. Estas dendritas degradan el rendimiento de la batería y, en última instancia, provocan fallas que, en algunos casos, pueden incluso provocar incendios peligrosos.
El nuevo estudio abordó este problema de las dendritas desde una perspectiva teórica. Como se describe en el artículo, publicado en el Journal of The Electrochemical Society , los investigadores de Stanford desarrollaron un modelo matemático que reúne la física y la química involucradas en la formación de dendritas.
Nuevos electrolitos
Este modelo ofreció la idea de que el intercambio de nuevos electrolitos, el medio a través del cual los iones de litio viajan entre los dos electrodos dentro de una batería, con ciertas propiedades podría ralentizar o incluso detener por completo el crecimiento de las dendritas.
“El objetivo de nuestro estudio es ayudar a guiar el diseño de baterías de metal de litio con una vida útil más larga”, dijo el autor principal del estudio, Weiyu Li, estudiante de doctorado en ingeniería de recursos energéticos coasesorado por los profesores Daniel Tartakovsky y Hamdi Tchelepi. “Nuestro marco matemático da cuenta de los procesos químicos y físicos clave en las baterías de metal de litio a la escala adecuada”.
“Este estudio proporciona algunos de los detalles específicos sobre las condiciones en las que se pueden formar las dendritas, así como las posibles vías para suprimir su crecimiento”, dijo el coautor del estudio, Tchelepi, profesor de ingeniería de recursos energéticos en la Escuela de Tierra, Energía y Ciencias Ambientales de Stanford. (Stanford Earth).
Una dirección para el diseño
Los experimentadores se han esforzado durante mucho tiempo por comprender los factores que conducen a la formación de dendritas, pero el trabajo de laboratorio requiere mucho trabajo y los resultados han resultado difíciles de interpretar. Reconociendo este desafío, los investigadores desarrollaron una representación matemática de los campos eléctricos internos de las baterías y el transporte de iones de litio a través del material electrolítico, junto con otros mecanismos relevantes.
Con los resultados del estudio en la mano, los experimentadores pueden centrarse en combinaciones de materiales y arquitectura físicamente plausibles. “Nuestra esperanza es que otros investigadores puedan usar esta guía de nuestro estudio para diseñar dispositivos que tengan las propiedades correctas y reduzcan el rango de variaciones experimentales de prueba y error que tienen que hacer en el laboratorio”, dijo Tchelepi.
Específicamente, las nuevas estrategias para el diseño de electrolitos solicitadas por el estudio incluyen buscar materiales que sean anisotrópicos, lo que significa que exhiben diferentes propiedades en diferentes direcciones. Un ejemplo clásico de un material anisótropo es la madera, que es más fuerte en la dirección de la veta, visible como líneas en la madera, que contra la veta. En el caso de los electrolitos anisotrópicos, estos materiales podrían ajustar la compleja interacción entre el transporte de iones y la química interfacial, frustrando la acumulación que procede a la formación de dendritas. Algunos cristales líquidos y geles muestran estas características deseadas, sugieren los investigadores.
Otro enfoque identificado por el estudio se centra en los separadores de batería: membranas que evitan que los electrodos en los extremos opuestos de la batería se toquen y se produzcan un cortocircuito. Se podrían diseñar nuevos tipos de separadores que presenten poros que hagan que los iones de litio pasen de un lado a otro a través del electrolito de manera anisotrópica.
Avatar digital
El equipo espera ver a otros investigadores científicos dar seguimiento a las “pistas” identificadas en su estudio. Esos próximos pasos implicarán la fabricación de dispositivos reales que se basen en nuevas formulaciones experimentales de electrolitos y arquitecturas de baterías, y luego probar cuáles podrían resultar efectivos, escalables y económicos.
“Se dedica una enorme cantidad de investigación al diseño de materiales y la verificación experimental de sistemas de baterías complejos y, en general, los marcos matemáticos como el encabezado por Weiyu han faltado en gran medida en este esfuerzo”, dijo el coautor Tartakovsky, profesor de ingeniería de recursos energéticos en Stanford.
Siguiendo estos últimos resultados, Tartakovsky y sus colegas están trabajando en la construcción de una representación virtual completa, conocida como “avatar digital”, de los sistemas de baterías de metal de litio, o DABS.
“Este estudio es un componente clave de DABS, un completo ‘avatar digital’ o réplica de baterías de metal de litio que se está desarrollando en nuestro laboratorio”, dijo Tartakovsky. “Con DABS, continuaremos avanzando en el estado del arte de estos prometedores dispositivos de almacenamiento de energía”.
Fuente: elperiodicodelaenergia.com
