Las dendritas, bigotes de litio que crecen dentro de las baterías y pueden causar incendios como los del Samsung Galaxy Note 7, son la ruina de las baterías de litio de próxima generación.
Si bien generalmente se extienden al amparo de la oscuridad en una celda cerrada, un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan los espió cortando una ventana en una batería y filmando las dendritas a medida que crecían la batería que probaron fue la siguiente-generación de batería de metal de litio, y no del tipo de iones de litio utilizado en teléfonos celulares comerciales y otros productos electrónicos de consumo.
El trabajo podría ayudar a los investigadores a llevar con seguridad las baterías de litio al siguiente nivel.
Las baterías de litio azufre y litio de aire, a menudo denominadas baterías de metal de litio porque tienen electrodos totalmente metálicos, tienen el potencial de almacenar 10 veces más energía en el mismo espacio que el litio de última generación actualbaterías de iones.
Sin embargo, los electrodos totalmente metálicos en estas versiones avanzadas son especialmente propensos a formar dendritas. Las dendritas reducen rápidamente el rendimiento de una batería, aumentan las preocupaciones de seguridad y acortan su vida útil.
"Nadie quiere comprar un vehículo eléctrico que disminuya de 300 a 100 millas por carga después de algunos usos", dijo Neil Dasgupta, profesor asistente de ingeniería mecánica de la UM.
Peor aún, las dendritas pueden perforar la membrana entre los electrodos, acortando la batería. Nadie quiere un vehículo eléctrico que se queme espontáneamente tampoco.
Si bien se sabe que las dendritas son un problema en las baterías de metal de litio, que aún no están en el mercado, su papel en causar problemas en las baterías de iones de litio disponibles comercialmente en la actualidad es menos comprendido. Los investigadores aún no saben qué causólos teléfonos no funcionan correctamente, lo que hace que la compañía los retire. Algunas dendritas sospechosas podrían ser las culpables.
"A medida que los investigadores intentan acumular más y más energía en la misma cantidad de espacio, los problemas de morfología como las dendritas se convierten en desafíos importantes. Si bien no sabemos completamente por qué explotó el Note 7, las dendritas hacen que sucedan cosas malas", dijoKevin Wood, un investigador postdoctoral en ingeniería mecánica que ayudó a desarrollar la ventana de la batería: "Si queremos baterías de alta densidad de energía en el futuro y no queremos que exploten, tenemos que resolver el problema de la dendrita".
Dasgupta y Wood buscaron una mejor manera de descubrir lo que está sucediendo dentro de las baterías. Las técnicas anteriores utilizadas con mayor frecuencia se centran en mediciones electroquímicas mientras la batería funciona. Luego, las autopsias de las baterías después de que finaliza el experimento revelan qué cambios físicos ocurrieron dentroCon este enfoque, los investigadores pueden ver las dendritas. Pero no pueden ver cómo habían crecido.
Para capturar dendritas en acción, el grupo de Dasgupta montó la batería de la ventana en un microscopio de video de alta definición y la conectó para que pudieran monitorear tanto el crecimiento de la dendrita como el voltaje entre los dos electrodos, que cambia durante los ciclos de carga y descarga.De esta manera, vincularon sus observaciones del electrodo, ya sea que las dendritas crecieran o se redujeran, y el estado general de degradación, con las mediciones de voltaje. Luego, vincularon los patrones de voltaje a la actividad de dendrita específica.
El dispositivo ayudó al equipo a determinar exactamente por qué crecen las dendritas dentro de las baterías de metal de litio de próxima generación. Estudiaron una batería con dos electrodos de litio, para evitar complicar el problema con un electrodo diferente que desarrollaría sus propios problemas.
"Nuestra batería de ventana es una plataforma simple que puede ser utilizada por investigadores de todo el mundo", dijo Dasgupta. "Se puede reproducir en cualquier laboratorio con un microscopio óptico, un equipo electroquímico simple, un taller mecánico y un presupuesto de $ 100".
Los investigadores pudieron ver cómo crecían las dendritas a medida que el litio se acumulaba en la superficie de un electrodo, y se encogían cuando el ciclo se invertía, alejando el litio de la superficie. Vieron formarse fosas en el electrodo cuando se retiró el litio, y vieroncómo estos pozos se convirtieron en sitios de nucleación para las dendritas en el siguiente ciclo.
Las dendritas de litio se veían extrañamente orgánicas, como las plantas que crecen y se marchitan en el transcurso de un ciclo de batería. Algunas dendritas se rompieron y se convirtieron en "litio muerto" flotando en la batería.
El equipo descubrió que no todas las dendritas significan daños graves. Si las dendritas son pequeñas y cubren de manera uniforme la superficie del electrodo, queda más litio en juego. En este caso, el rendimiento de la batería permanece estable, dijo Wood.
"Si desea llegar a condiciones prácticas de funcionamiento, no creo que haya alguna forma de prevenir realmente el crecimiento de dendrita", dijo. "Pero al controlar el crecimiento de dendrita puede habilitar baterías que tienen una vida útil prolongada y una mayor seguridad".
Utilizando esta información, el equipo descubrió una forma de extender significativamente la vida útil de los electrodos de litio, que se revelará en una publicación futura.
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Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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