Zeyuan Li y Ming Tang. Crédito: Jorge Vidal / Universidad de Rice
Los electrodos de batería más gruesos incluyen materiales más activos, prometiendo una mayor densidad de energía. Sin embargo, cuando se trata del rendimiento de la batería de iones de litio, las propiedades termodinámicas de los materiales de electrodos importan más que su diseño estructural.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Rice dirigido por el científico de materiales Ming Tang ha demostrado que incluso si los materiales utilizados en los electrodos de batería grueso tienen estructuras casi idénticas, su química interna afecta el flujo de energía y, por lo tanto, el rendimiento, de manera diferente. Este hallazgo va en contra de la sabiduría convencional en el campo, lo que sostiene que crear canales de poros en el material del electrodo a través de diferentes técnicas de patrón podría mitigar la mala uniformidad de reacción.
“Los electrodos de batería ‘gruesos’ almacenan más energía, lo cual es excelente para una vida telefónica más larga o la carga de automóvil eléctrico, pero lucha por cargar y descargar rápidamente debido a la capacidad utilizable limitada”, dijo Zeyuan Li, un alumno doctoral de arroz y primer autor en el estudio. “Imagine tratar de llenar una esponja gruesa de manera uniforme con agua, pero el agua solo se apresura a una parte de la esponja, dejando el resto seco, ese es el problema con los electrodos ‘gruesos'”.
De acuerdo a un estudio Publicado en Materiales Avanzados, los investigadores compararon dos materiales de electrodo de batería de iones de litio comunes: el fosfato de hierro de litio (LFP) y una mezcla de óxido de cobalto de níquel manganeso conocido como NMC, lo que muestra este último funciona mejor a pesar de las características estructurales similares.
“Encontramos que los electrodos de LFP se degradaron más rápido que NMC cuando se probaron en condiciones de ciclismo idénticas con más grietas internos y pérdida de capacidad debido al flujo de litio desigual”, dijo Li, quien ahora trabaja como asistente de investigación en el grupo de ciencia de materiales mesoscala dirigido por Tang. “Si el flujo desigual fuera solo sobre las dimensiones y el diseño de los canales de poros, los electrodos deberían comportarse de manera similar”.
Utilizando imágenes de rayos X de alta resolución en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, los investigadores rastrearon donde los iones de litio viajaron dentro de cada electrodo durante el uso. Los electrodos LFP mostraron una fuerte reacción de “puntos calientes” cerca de la superficie frente al separador, la membrana permeable entre el cátodo y el ánodo de una batería, mientras que las regiones más profundas permanecieron en gran medida inactivas. Esa desigualdad persistió incluso después de descansar la batería. En contraste, los electrodos NMC tenían perfiles de reacción mucho más equilibrados.
“Encontramos que las propiedades termodinámicas del material dictan cómo se propaga la reacción”, dijo Tang, profesor asociado de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice y un autor correspondiente en el estudio. “Esto nos da una nueva visión del diseño de la batería y, con suerte, desempeñará un papel en la mejora de la eficiencia de los electrodos gruesos de la batería”.
Los resultados llevaron al equipo a desarrollar una nueva métrica llamada “número de uniformidad de reacción” para ayudar a los ingenieros a evaluar qué tan bien funcionará un material de batería en electrodos gruesos. El número captura factores estructurales y termodinámicos que influyen en el comportamiento de reacción.
“Las baterías que desgastan de manera desigual mueren más rápido y desperdician una capacidad de almacenamiento preciosa”, dijo Tang, quien también es miembro del Instituto de Materiales Avanzados de Rice. “Este descubrimiento proporciona a los ingenieros una nueva guía para elegir la receta correcta en términos de material, microestructura, geometría, etc., para mejorar el rendimiento de los electrodos gruesos”.
Más información: Zeyuan Li et al, sondeando el efecto de la termodinámica del electrodo sobre la heterogeneidad de la reacción en electrodos de batería gruesa, materiales avanzados (2025). Dos: 10.1002/ADMA.202502299
Proporcionado por la Universidad de Rice
Cita: Por qué fallan los electrodos de batería gruesos: la química, no la estructura, posee la llave (2025, 9 de julio) recuperada el 9 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-thick-battery-electrodes-chemistry-key.html
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