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Primera simulación a nivel atómico de una batería completa

Unos investigadores han simulado partiendo de primeros principios la forma en que se desgastan las baterías cuando se cargan y descargan por primera vez.

The Physics arXiv Blog 30/08/2013

A la hora de desarrollar la próxima generación de tecnología, el mayor cuello de botella probablemente sea la batería. Los ingenieros necesitan mejores baterías para los vehículos eléctricos, para almacenar energía en la red y, por supuesto, para los dispositivos de electrónica de consumo.

Estas baterías tienen que dar mayor corriente durante más ciclos de descarga con una mayor densidad energética, por citar solo algunos de los desafíos que se plantean.

Construir y probar nuevos diseños de baterías es difícil y exige mucho tiempo y dinero. Así que a los electroquímicos les resulta útil poder simular el rendimiento de una batería antes de ponerse manos a la obra siquiera.

Pero es complicado. Nadie ha sido capaz de simular una batería completa a nivel atómico debido a la complejidad de los procesos implicados y a las limitaciones de las técnicas de modelado actuales.

Ahora eso ha cambiado gracias al trabajo de Wolf Dapp en el Instituto Para Simulación Avanzada (Alemania) y el de Martin Muser en la Universidad de Saarlandes (Alemania). Estos tipos han simulado el comportamiento de una batería completa a escala atómica. Y por primera vez, su simulación reproduce muchas de las características reales de una batería de primeros principios.

En los últimos años, los informáticos han hecho progresos significativos a la hora de simular varios aspectos del comportamiento de las baterías. Esos modelos funcionan a mesoescala: más pequeña que los electrodos, pero mayor que las moléculas. Las simulaciones dependen de datos experimentales para modelar cosas como la conductividad iónica y electrónica, los coeficientes de difusión, las densidades de corriente, los potenciales electroquímicos y más.

Estos modelos tienen un grave inconveniente, tienen poca capacidad de predicción cuando se trata de nuevos materiales o combinaciones de materiales para los que no existen datos experimentales. Para predecir el comportamiento de nuevos materiales, los electroquímicos necesitan hacer modelos de las baterías a escala de átomos y moléculas.

Algo que resulta difícil porque las técnicas utilizadas por los informáticos para simular el comportamiento de los átomos y las moléculas no sirven en el caso de las baterías. Estas simulaciones están diseñadas para sistemas que están en estado de equilibrio o cercano a él. Funcionan igualando el potencial químico o minimizando la energía del sistema. "Sin embargo, la diferencia en el potencial químico entre dos electrodos es precisamente lo que mueve el transporte de la carga en una batería", explican Dapp y Muser.

Así que para hacer un modelo de una batería completa, el modelo informático debe tener en cuenta cualquier cambio en la energía o potencial químico en cada paso del cálculo. Esto es exactamente lo que han hecho Dapp y Muser. En su modelo, la carga es una variable que se puede intercambiar entre átomos y a través de enlaces en cada etapa del cálculo. que se puede intercambiar entree han hecho Dapp y Muser. En su modelo, la carga es una variable que se puede intercambiar entre

Las simulaciones resultantes son pequeñas pero asombrosas. Su nanobatería está formada por 358 átomos, 118 de los cuales forman los electrodos. En un principio el cátodo está cubierto por una capa de 20 átomos con 39 átomos ionizados positivamente disueltos en el electrolito.

El cálculo se lleva a cabo entonces por pasos en los que los átomos se pueden mover e intercambiar carga según va evolucionando el sistema. Toda la simulación consiste en unos 10 millones de pasos de este tipo.

Los resultados son sorprendentes porque reproducen de verdad las curvas de descarga genéricas de baterías macroscópicas reales. Por ejemplo, una temperatura de funcionamiento menor reduce la capacidad efectiva de la batería simulada. Y lo que es más importante, la simulación reproduce la forma en que se desgastan las baterías normales. "Al recargar, el rendimiento de la batería se degrada ligeramente, y la morfología de la superficie del electrodo cambia durante la operación de la batería", afirman Dapp y Muser.

Estos investigadores explican que en esta etapa el trabajo solo es un modelo de demostración de concepto, y que existen varias formas de mejorarlo en un futuro. Por ejemplo hacen el modelo del electrolito usando partículas que tienen una carga fija y por lo tanto no puede intercambiarse.

En las baterías de verdad los electrolitos no funcionan así, así que es un fallo importante del nuevo método. Pero Dapp y Muser tienen intención de corregirlo. "Esta idealización se abandonará en futuros trabajos", sostienen.

En general, este parece ser un trabajo importante. Este tipo de modelo podría mejorar drásticamente el poder predictivo de las simulaciones de baterías y por lo tanto ayudar a los electroquímicos a ahorrar una importante cantidad de tiempo, esfuerzo y dinero antes de empezar a hacer experimentos detallados.

El resultado final deberían ser baterías mejores, pero queda un largo camino hasta entonces.

Ref: arxiv.org/abs/1308.3424 : Reacciones Redox con Potenciales Empíricos: Simulaciones de Descarga de Baterías Atomistas

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