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El primer modelo teórico de rendimiento del ciclo de carga podría revolucionar la investigación sobre baterías
Un problema con el desarrollo de la batería es comprender cómo cambia el rendimiento con la edad. Un buen conocimiento de este tipo de degradación permite a los investigadores descartar antes los diseños ineficaces y concentrarse en los más prometedores.
Sin embargo, nadie ha desarrollado un buen modelo teórico de degradación de la batería, por lo que este tipo de información debe obtenerse de experimentos, lo que puede ser una tarea larga y costosa. Por ejemplo, las baterías de iones de litio actuales se degradan durante miles de ciclos.
La disponibilidad de un modelo matemático simple, pero preciso, de desvanecimiento de la capacidad y estadísticas de vida útil podría acelerar significativamente el desarrollo y la comercialización de la batería, dicen Matthew Pinson y Martin Bazant del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge.
Y eso es exactamente lo que han desarrollado estos muchachos: un modelo simple de la forma en que la capacidad de la batería se desvanece con el tiempo.
Las baterías se degradan gradualmente a medida que el proceso de carga y recarga inevitablemente pasa factura. Durante este ciclo, los iones se trasladan de una parte de la batería a otra, forzándose a formar celosías que no siempre están diseñadas para aceptarlos fácilmente.
Por ejemplo, cuando los iones de litio entran en una red de silicio, hacen que se expanda en volumen en un factor de cuatro. Eso crea tensiones mecánicas significativas durante cada ciclo de carga, que tienden a romper el silicio. Es por eso que el silicio, aunque por lo demás prometedor, aún no se ha utilizado como material de ánodo.
En las baterías de iones de litio, la pérdida de capacidad se produce por una razón diferente. En este caso, el electrolito reacciona con el litio en el electrodo negativo formando una capa sólida permanente llamada interfase sólido-electrolito.
La batería continúa funcionando porque los iones de litio pueden viajar a través de esta capa con facilidad.
Sin embargo, esta capa crece lentamente. La reacción con el electrolito elimina el litio del sistema y, después de muchos miles de ciclos, esto provoca una reducción gradual del rendimiento denominada pérdida de capacidad. Es esto lo que finalmente detiene el funcionamiento de la batería.
El nuevo modelo de Pinson y Bazant simula este proceso. Modelan los gradientes de concentración de litio a través de la interfase sólido-electrolito y el gradiente de concentración de otros ingredientes reactivos en el electrolito. Esto les permite simular cómo evoluciona la capa de interfase con el tiempo.
Hasta donde sabemos, este es el primer intento de predecir teóricamente la distribución espacio-temporal de la formación de la interfase de electrolitos sólidos en un electrodo poroso, dicen Pinson y Bazant.
Continúan ampliando el modelo para trabajar con otros materiales que se degradan rápidamente, como el silicio.
Por supuesto, una prueba importante de cualquier modelo es qué tan bien coincide con la observación experimental. En este sentido, el modelo funciona bien, dicen. Nuestros modelos simples pueden ajustarse con precisión a una variedad de datos experimentales publicados para ánodos de grafito y silicio.
Eso es ciertamente prometedor, pero siempre se recomienda precaución en el notoriamente complejo mundo de la electroquímica. Si un modelo simple puede ayudar a explicar un comportamiento complejo, todo está bien. Pero habrá muchos escépticos que necesitarán ser convencidos.
La prueba real será si este modelo tiene valor predictivo en la investigación real de baterías: ¿es lo suficientemente confiable como para ayudar a determinar la dirección del trabajo futuro?
Esa es todavía una pregunta abierta.
Ref: arxiv.org/abs/1210.3672 : Teoría de la formación de SEI en baterías recargables: desvanecimiento de la capacidad, envejecimiento acelerado y predicción de vida útil