Los investigadores del MIT utilizaron una plataforma experimental personalizada para registrar simultáneamente las emisiones acústicas y realizar pruebas electroquímicas en baterías de iones de litio. Crédito: Alexander Cohen
Antes de que las baterías pierdan potencia, falle repentinamente o estallaran en llamas, tienden a producir sonidos débiles con el tiempo que proporcionan una firma de los procesos de degradación que ocurren dentro de su estructura. Pero hasta ahora, nadie había descubierto cómo interpretar exactamente qué significaban esos sonidos y cómo distinguir entre el ruido de fondo ordinario y los signos significativos de posibles problemas.
Ahora, un equipo de investigadores del Departamento de Ingeniería Química del MIT ha realizado un análisis detallado de los sonidos que emanan de las baterías de iones de litio, y ha podido correlacionar patrones de sonido particulares con procesos de degradación específicos que tienen lugar dentro de las células.
Los nuevos hallazgos podrían proporcionar la base de dispositivos relativamente simples, totalmente pasivos y no destructivos que podrían monitorear continuamente la salud de los sistemas de baterías, por ejemplo, en vehículos eléctricos o instalaciones de almacenamiento a escala de red, para proporcionar formas de predecir vidas operativas útiles y fallas de pronóstico antes de que ocurran.
El investigación se publica en la revista Joule, en un artículo por los estudiantes graduados del MIT Yash Samantaray y Alexander Cohen, ex científico de investigación del MIT Daniel Cogswell Ph.D. ’10, y profesor de Ingeniería Química de Chevron y profesor de matemáticas Martin Z. Bazant.
“En este estudio, a través de un trabajo científico cuidadoso, nuestro equipo ha logrado decodificar las emisiones acústicas”, dice Bazant. “Pudimos clasificarlos como provenientes de burbujas de gas generadas por reacciones laterales, o por fracturas de la expansión y contracción del material activo, y encontrar firmas de esas señales incluso en datos ruidosos”.
Samantaray explica: “Creo que el núcleo de este trabajo es observar una forma de investigar los mecanismos internos de la batería mientras todavía están cargando y descargando, y hacer esto de manera no destructiva”. Agrega: “Ahora en el mundo, existen algunos métodos, pero la mayoría son muy caros y no son realmente propicios para las baterías en su formato normal”.
Para llevar a cabo su análisis, el equipo acopló pruebas electroquímicas con el registro de las emisiones acústicas, bajo condiciones de carga y descarga del mundo real, utilizando un procesamiento detallado de la señal para correlacionar los datos eléctricos y acústicos. Al hacerlo, dice: “Pudimos encontrar un método muy rentable y eficiente para comprender realmente la generación de gas y la fractura de materiales”.
La generación de gas y la fracturación son dos mecanismos principales de degradación y falla en las baterías, por lo que poder detectar y distinguir esos procesos, con el monitoreo de los sonidos producidos por las baterías, podría ser una herramienta significativa para aquellos que administran los sistemas de baterías.
Los enfoques anteriores simplemente han monitoreado los sonidos y los tiempos grabados cuando el nivel de sonido general excedió el umbral. Pero en este trabajo, al monitorear simultáneamente el voltaje y la corriente, así como las características del sonido, Bazant dice: “Sabemos que las emisiones (de sonido) ocurren a un cierto potencial (voltaje), y eso nos ayuda a identificar cuál podría ser el proceso que está causando esa emisión”.
Después de estas pruebas, se separarían y las estudiarían bajo un microscopio electrónico para detectar la fracturación de los materiales.
Además, tomaron una transformación wavelet, esencialmente, una forma de codificar la frecuencia y la duración de cada señal que se captura, proporcionando firmas distintas que luego se pueden extraer más fácilmente del ruido de fondo. “Nadie había hecho eso antes”, dice Bazant, “así que ese fue otro avance”.
Las emisiones acústicas se usan ampliamente en ingeniería, señala, por ejemplo, para monitorear estructuras como puentes para signos de falla incipiente. “Es una excelente manera de monitorear un sistema”, dice, “porque esas emisiones están sucediendo si las está escuchando o no”, por lo que al escuchar, puede aprender algo sobre procesos internos que de otro modo serían invisibles.
Con baterías, dice, “a menudo nos cuesta interpretar el voltaje y la información de corriente con la misma precisión que nos gustaría, saber qué está sucediendo dentro de una celda. Y esto ofrece otra ventana al estado de salud de la celda, incluida su vida útil y seguridad restantes también”.
En papel relacionado Publicado en el Journal of Energy Storage con Oak Ridge National Laboratory Investigadores, el equipo ha demostrado que las emisiones acústicas pueden proporcionar una advertencia temprana del fugitivo térmico, una situación que puede conducir a incendios si no se atrapan. El nuevo estudio sugiere que estos sonidos pueden usarse para detectar la generación de gas antes de la combustión, “como ver las primeras burbujas pequeñas en una olla de agua calentada, mucho antes de que hierva”, dice Bazant.
El siguiente paso será tomar este nuevo conocimiento de cómo ciertos sonidos se relacionan con condiciones específicas y desarrollar un sistema de monitoreo práctico y económico basado en esta comprensión. Por ejemplo, el equipo tiene una subvención de Tata Motors para desarrollar un sistema de monitoreo de baterías para sus vehículos eléctricos. “Ahora, sabemos qué buscar y cómo correlacionar eso con la vida y la salud y la seguridad”, dice Bazant.
Samantaray dice que una posible aplicación de esta nueva comprensión es “como una herramienta de laboratorio para grupos que intentan desarrollar nuevos materiales o probar nuevos entornos, para que puedan determinar la generación de gas o la fractura de material activo sin tener que abrir la batería”.
Bazant agrega que el sistema también podría ser útil para el control de calidad en la fabricación de baterías. “El proceso más costoso y limitante de la velocidad en la producción de baterías es a menudo el ciclismo de formación”, dice. Este es el proceso en el que las baterías se vuelven en bicicleta a través de la carga y la descarga para romperlas, y parte de ese proceso implica reacciones químicas que liberan algo de gas.
El nuevo sistema permitiría la detección de estas firmas de formación de gas, dice, “y al sentirlas, puede ser más fácil aislar células bien formadas de células mal formadas muy temprano, incluso antes de la vida útil de la batería, cuando se hace”, dice.
Más información: Yash Samantaray et al, resuelto electroquímicamente las emisiones acústicas de las baterías de iones de litio, Joule (2025). Doi: 10.1016/j. Joule.2025.102108
L. Lin et al, Análisis de gravedad de fugación térmica inducida mecánicamente de baterías de iones de litio y monitoreo continuo de liberación de energía, Journal of Energy Storage (2025). Doi: 10.1016/j. Est.2025.118078
Información en el diario: Joule
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.
Cita: Decodificación de los sonidos de la formación y degradación de la batería (2025, 16 de septiembre) Recuperado el 16 de septiembre de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-09-decoding-battery-formation-degadation.html
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