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Shabbir Ahmed, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Dakota del Sur, está llevando a cabo una investigación única para comprender mejor una invención tecnológica que ha definido el siglo XXI: las baterías de iones de litio.
A fines del siglo XIX, los mineros extrajeron litio de los depósitos de rocas ígneas cerca de Keystone, Dakota del Sur. La mina Etta fue la primera en los Estados Unidos, donde el litio fue desenterrado, y los médicos utilizaron el mineral para tratar la gota y las enfermedades mentales, como la manía y la depresión.
Hoy, el litio se usa casi exclusivamente para fabricar baterías de iones de litio, que se considera una de las invenciones tecnológicas más impactantes de los últimos 100 años. Desde iPhones hasta computadoras portátiles y vehículos eléctricos, la batería de iones de litio es la batería recargable más potente disponible comercialmente y ha transformado efectivamente la forma en que nos comunicamos como sociedad. En el futuro, se espera que las baterías de iones de litio se utilicen aún más para el transporte y la energía sostenibles.
Pero todavía hay desafíos considerables relacionados con las baterías de iones de litio, y Ahmed está trabajando para una solución.
¿El medidor es preciso?
Se encuentra un medidor de combustible en la mayoría de los automóviles y se utiliza para indicar la cantidad de combustible en un tanque. Los medidores de combustible proporcionan una imagen clara de cuánto tiempo tiene un automóvil antes de que se debe rellenar. Los dispositivos electrónicos, como los teléfonos celulares, las computadoras portátiles y las tabletas, tienen un mecanismo similar.
A menudo se encuentra en la esquina superior derecha de la pantalla, el “estado de carga” muestra la potencia restante en el dispositivo. Al igual que el medidor de combustible en el automóvil, representa cuánta energía queda en el sistema de la batería y los microprocesadores inferen en los dispositivos utilizando una combinación de corriente y voltaje.
El estado de carga se muestra como un porcentaje del almacenamiento de la batería. Por ejemplo, su teléfono celular muestra que tiene un 75% restante. La pregunta es: ¿qué tan preciso es ese porcentaje?
Según Ahmed, el estado de cargo no es tan preciso como podemos pensar.
“No es exactamente preciso por varias razones”, dijo Ahmed. “Es solo una aproximación”.
Otra consideración es el “estado de salud” de la batería. Las baterías de iones de litio sufren un proceso de envejecimiento con uso. Por ejemplo, los propietarios de teléfonos celulares pueden notar que el cargo en su teléfono no dura casi tan tiempo después de unos años de uso. Este concepto de envejecimiento se puede medir como el “estado de salud” de la batería o cuánto de la capacidad de la batería original permanece. En general, los dispositivos electrónicos no proporcionan a los usuarios el estado de salud de la batería de iones de litio de su dispositivo.
“Mi investigación está buscando predecir con mayor precisión el estado de cargo y el estado de salud a través de diferentes tipos de mediciones”, dijo Ahmed.
Para los teléfonos celulares, las computadoras portátiles y los cargadores, conocer el estado de cargo preciso o el estado de salud no es exactamente información esencial para usar el dispositivo. Puede ser inconveniente, pero no inhibe por completo el uso. Pero si las baterías de iones de litio van a asumir un papel más central en el transporte, por ejemplo, para helicópteros totalmente eléctricos, es esencial saber el estado exacto de carga y el estado de salud.
“Para los teléfonos celulares, esto podría no ser tan importante”, dijo Ahmed. “Pero para el transporte impulsado por EV, como los automóviles o helicópteros, es mucho más importante”.
Medidas de onda
Las baterías de iones de litio funcionan como iones de litio se arrastran entre los lados positivos y negativos de la batería a través del separador. Cuando un dispositivo está “encendido” (descarga) y proporciona una corriente eléctrica, el ánodo, el lado negativo de la batería, libera iones de litio al cátodo, el lado positivo, que genera un flujo de electrones. Cuando el dispositivo está conectado y cargando, ocurre lo contrario. El cátodo libera los iones de litio y recibe el ánodo.
La cantidad de carga restante en un dispositivo es esencialmente la concentración de iones a cada lado. Por ejemplo, un dispositivo completamente cargado vería todos los iones de litio concentrados en el lado del ánodo de la batería.
En una condición de laboratorio, Ahmed podría desmontar la batería, separar los elementos y ver exactamente cuántos iones de litio había a cada lado de la batería, lo que le dará una medición precisa de la concentración de litio y el estado de carga de la batería. Pero eso no es factible para aplicaciones del mundo real.
“Cuando se usa una batería de iones de litio, no puede desmontarla, no puede medirla”, explicó Ahmed.
Para obtener una medición exacta, Ahmed coloca un pequeño sensor en el exterior de la batería para enviar una señal de onda guiada ultrasónica a través de la batería de iones de litio. La señal de onda, que Ahmed ve como datos en su computadora, le permite juzgar con mayor precisión la concentración de litio. Si la señal de onda es más alta que la concentración de litio, la batería se carga. Si es inferior, la batería se descarga. La velocidad a la que la onda cambia en relación con la concentración de litio proporciona una medición precisa de la carga de la batería.
“Al analizar el cambio de la señal de onda, en realidad puedo inferir con más precisión mi estado de cargo y mi estado de salud”, dijo Ahmed.
Esta información se puede utilizar para desarrollar algoritmos eficientes para predecir con precisión el estado de salud y el estado de cargo en las baterías de iones de litio. Las empresas, especialmente las que producen vehículos eléctricos, estarían interesados en la precisión de estos algoritmos, señaló Ahmed.
Ahmed, quien obtuvo su doctorado del Instituto Politécnico Rensselaer en Nueva York, comenzó este trabajo como académico postdoctoral en la Universidad de Stanford. En Rensselaer, centró su investigación en modelar ondas guiadas ultrasónicas y desarrollar un algoritmo robusto a través de esos modelos. Luego aplicó esa experiencia a las baterías de iones de litio en Stanford.
“Hubo una investigación limitada sobre esta área específica de baterías de iones de litio”, explicó Ahmed.
En el futuro, Ahmed continuará su trabajo en baterías de iones de litio, pero está ansioso por expandir su investigación en el creciente campo de la robótica, donde ve una variedad de posibilidades.
Proporcionado por la Universidad Estatal de Dakota del Sur
Cita: El estado de litio (2025, 3 de julio) Consultado el 3 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-state-lithium.html
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