Un nuevo estudio de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, realizado en colaboración con investigadores de pruebas de baterías del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. muestra que los pulsos extremadamente cortos de un láser de alta potencia pueden causar pequeños defectos en los materiales de las baterías de iones de litio. que puede mejorar el rendimiento de la batería.

La técnica, llamada recocido láser pulsado de nanosegundos, dura solo 100 nanosegundos y es generada por el mismo tipo de láser que se usa en las cirugías oculares modernas. Los investigadores probaron la técnica en grafito, un material ampliamente utilizado en ánodos de baterías de iones de litio o electrodos positivos. Probaron la técnica en lotes de 10 pulsos y 80 pulsos y compararon las diferencias en la capacidad actual; la potencia se calcula multiplicando el voltaje por la corriente.

Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos portátiles y automóviles eléctricos. Con más mejoras, estas baterías podrían tener un gran impacto en el transporte y como dispositivos de almacenamiento para fuentes de energía renovables como la eólica y la solar.

El estudio mostró una serie de resultados interesantes, dijo Jay Narayan, Presidente Distinguido de la Familia John C. Fan en Ciencias de los Materiales en NC State y autor correspondiente de un artículo que describe el trabajo. Narayan fue pionero en el uso de láseres para crear y manipular defectos en semiconductores en un trabajo que abarcó más de cuatro décadas.

« Los defectos materiales pueden ser una molestia, pero si los diseñas correctamente, puedes convertirlos en una ventaja », dijo. « Esta técnica abre la puerta, por así decirlo, a los iones de litio, por lo que mejora la capacidad actual. Los ánodos de grafito consisten en escalones y ranuras en la superficie; crear más escalones es como crear más puertas para que los iones de litio entren y se fuera, lo cual es beneficioso.

« La técnica también crea defectos llamados vacantes, que son átomos faltantes, y eso ayuda a proporcionar más sitios para que los iones de litio entren y salgan, lo cual está relacionado con la capacidad actual ».

La capacidad actual aumentó en un 20% cuando se utilizó el número óptimo de pulsos, que estaba más cerca de 10 que de 80 pulsos.

Sin embargo, el estudio también mostró que demasiado de algo bueno puede ser algo malo, ya que demasiados defectos en los ánodos de grafito pueden generar problemas.

« El ion de litio tiene una carga positiva, por lo que si captura un electrón se convierte en metal de litio, y no quieres eso », dijo Narayan. « El metal de litio dispara diminutas dendritas de alambre desde el ánodo de grafito y puede provocar un incendio. Por lo tanto, debe asegurarse de que un ion de litio no se convierta en metal ».

Narayan dijo que los fabricantes deberían tener la capacidad de usar recocido láser de pulso de nanosegundos al producir ánodos y cátodos, los otros electrodos contenidos en las baterías.

« Estos láseres de alta potencia existen y se pueden tratar ánodos y cátodos en un microsegundo », dijo Narayan. “Los cátodos o ánodos están hechos en una hoja, lo que hace que el tratamiento sea relativamente rápido y fácil”.

Narayan y sus colegas de la Universidad de Texas-Austin publicaron recientemente otro artículo que utilizó la misma técnica láser en materiales de cátodo. Publicado en ACS Applied Materials and Interfaces, ese estudio mostró materiales de cátodo mejorados con tratamiento láser.

« A continuación, estamos tratando de eliminar la necesidad de utilizar materiales más caros, como el cobalto en los cátodos de las baterías, para fabricar baterías de mayor potencia y más duraderas », dijo Narayan.

El estudio aparece en Carbon. Roger Narayan, Profesor Distinguido de Ingeniería Biomédica en NC State, fue coautor del artículo junto con la primera autora Nayna Khosla, estudiante de posgrado de NC State. Xiao-Guang Sun y M. Parans Paranthaman del Laboratorio Nacional de Oak Ridge también fueron coautores del artículo. La financiación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias bajo la subvención DMR-2016256. La investigación de pruebas de baterías en ORNL fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU. Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, División de Ingeniería y Ciencias de los Materiales bajo el número de contrato DE-AC05-00OR22725. Este trabajo se realizó en parte en la Instalación de Instrumentación Analítica de NC State.