Investigadores revelan cómo la luminosidad de partículas de baterías indica su carga

Las baterías de iones de litio son fundamentales en dispositivos como teléfonos, automóviles y hogares, lo que hace crucial garantizar su comportamiento seguro y eficiente. Investigadores de la Universidad de Purdue utilizaron una técnica óptica sencilla para observar cómo las partículas individuales de una batería se iluminan a medida que se cargan, lo que permite obtener una imagen más completa de la salud y el rendimiento general de la batería.

El profesor de ingeniería mecánica Kejie Zhao explicó: "Las baterías de iones de litio, de hecho, todas las baterías, funcionan gracias a millones de interacciones químicas que ocurren a nivel de partículas. Caracterizarlas se convierte en un problema mecánico y electroquímico".

En el laboratorio de Zhao, se emplean diversas herramientas para cerrar la brecha entre la mecánica y la electroquímica con el fin de crear mejores baterías. Una de estas herramientas es una simple cámara RGB.

"Recientemente se descubrió que las partículas individuales en el electrodo de una batería aparecen más brillantes a medida que se cargan", comentó Zhao. "Nuestro avance consiste en observar cientos de partículas a la vez y utilizar sus niveles de brillo para determinar cuán uniformemente se distribuye la carga a través del electrodo".

Este estudio fue publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.

El experimento comenzó con una batería de celda de moneda de iones de litio en un ambiente de gas inerte, ya que el litio es volátil al estar expuesto al aire. El equipo de Zhao enfocó un microscopio óptico simple sobre un grupo de entre 100 y 1,000 partículas individuales. A medida que cargaban lentamente la batería, grabaron un video en time-lapse del mismo grupo de partículas durante varias horas. Al analizar el nivel de brillo de estas partículas individuales, pudieron reconstruir un modelo espacial extremadamente preciso de cuán uniformemente se carga la batería.

"Lo sorprendente de este proceso es que no se necesitan herramientas de alta potencia, solo un microscopio óptico simple y una cámara", dijo Zhao. "No es necesario que esté enfocado; los niveles de brillo proporcionan datos precisos de manera consistente de cualquier forma".

Con procesamiento de imágenes y análisis de datos, el equipo extrajo información valiosa sobre la construcción y operación de estas baterías. "En este momento, la única forma de controlar la calidad de las partículas de una batería es examinarlas en la fábrica", comentó Zhao. "Pero al observar ópticamente cómo se cargan con el tiempo, obtenemos una imagen más precisa. Hemos establecido que hay una correlación matemática directa entre el brillo óptico de las partículas y el estado general de carga de la batería".

Esto es importante, ya que el comportamiento de carga y descarga de una batería depende de su heterogeneidad, o cuán uniformemente están distribuidas las partículas en todo el electrodo. Si la carga se concentra en un solo lugar, la batería es más propensa a degradarse, fallar o incluso arder de manera catastrófica.

"Incluso a nivel de partículas, los grupos de carga pueden llevar a defectos locales, lo que puede resultar en un rendimiento degradado y eventualmente en un descontrol térmico", advirtió Zhao.

Si bien los experimentos de Zhao se centraron específicamente en óxidos de níquel, manganeso y cobalto de litio (NMC), afirmó que este proceso óptico ha demostrado funcionar para muchos materiales de electrodos, como el óxido de cobalto de litio, grafito y otros, debido al cambio de conductividad eléctrica al cargarse y descargarse. En otras palabras, este proceso de caracterización puede aplicarse a cualquier tipo de formulación de batería en el futuro.

"Las baterías siempre han sido difíciles de diagnosticar", concluyó. "Verlas comportarse de esta manera, en un estado activo de carga o descarga, ofrece mucha más información que analizarlas en un estado estático. Hemos probado la base teórica y ahora podemos usar microscopios ópticos con confianza para analizar las baterías actuales y establecer la ciencia para las tecnologías de baterías futuras".