Una doctoranda china preparada para resolver los riesgos de incendio y explosión de baterías de litio

Las baterías de iones de litio de los vehículos eléctricos pueden incendiarse o explotar cuando se cortocircuitan, lo que supone importantes riesgos de seguridad. Hace cinco años, como estudiante de maestría en la Universidad Tecnológica de Wuhan, el Dr. Lun Li comenzó a explorar soluciones a este problema. Ahora, como investigadora postdoctoral en la misma institución, ha hecho un descubrimiento revolucionario. Su investigación ha sido publicada en el último número de Nature Chemical Engineering.

Bajo la dirección del profesor He Daping de la Escuela de Física y Mecánica de la Universidad Tecnológica de Wuhan, esta patente de investigación se ha traducido con éxito en la industrialización. Una empresa ha invertido 30 millones de yenes para aumentar la producción. El equipo de investigación ha establecido Hainan Zhangyu Technology Co., Ltd. para continuar validando la tecnología, con planes de implementarla pronto si se demuestra que es viable.

Un gran avance a partir de un experimento inesperado

Las baterías de iones de litio son propensas a incendios y explosiones porque el calor que generan no puede disiparse lo suficientemente rápido, lo que provoca una acumulación que desencadena una serie de reacciones exotérmicas y, en última instancia, una fuga térmica. Controlar la generación de calor interno y mejorar la transferencia de calor son cruciales para prevenir este problema.

En 2020, durante un experimento, el Dr. Li desmontó una batería que se había incendiado y explotado, y descubrió que el colector de corriente metálico en el electrodo positivo se había quemado casi por completo. Estos colectores suelen estar hechos de aluminio o cobre.

"Esto sugirió un posible vínculo entre los colectores de corriente de metal y la fuga térmica", compartió el Dr. Li con los profesores He Daping y Mai Liqiang. Juntos, reflexionaron sobre si un material ignífugo podría reemplazar a los colectores de corriente metálicos. Dicho material tendría que tener una alta conductividad térmica, una excelente resistencia a las llamas y una densidad suficiente para evitar aumentar el tamaño de la batería.

Su atención se centró en el grafeno, un material bidimensional único. El Dr. Li probó su resistencia a las llamas sosteniéndolo sobre una lámpara de alcohol durante media hora, sorprendentemente, permaneció intacto. Este resultado inesperado asombró a sus compañeros de laboratorio.

"Propusimos utilizar colectores de corriente de grafeno de alta conductividad térmica para reemplazar los metálicos tradicionales, mejorando significativamente la seguridad de la batería", dijo el Dr. Li. Su trabajo también recibió orientación del profesor asociado Yang Jinlong de la Universidad de Shenzhen.

Forja dos veces colectores de corriente de grafeno a altas temperaturas

Sin embargo, el uso de grafeno como colector de corriente requiere lograr suficiente resistencia mecánica y delgadez, al menos 10-20 micrómetros, mientras se mantiene una buena conductividad.

En la mañana del 16, un reportero del Changjiang Daily visitó el laboratorio de síntesis de películas de grafeno en la Universidad Tecnológica de Wuhan. El Dr. Li presentó un rollo de papel de aluminio y explicó: "Este es un colector de corriente de aluminio, comúnmente utilizado en electrodos positivos de baterías de iones de litio. El cobre también se utiliza como colector de corriente metálica". Luego mostró un rollo de material no metálico y dijo: "Este es nuestro colector de corriente de grafeno, producido en masa en Wuhan Hanci Technology Co., Ltd".

El reportero observó que el colector de corriente de grafeno era tan delgado como las alas de una cigarra. El Dr. Li lo dobló repetidamente sin causar ninguna deformación. "Tiene solo 10 micrómetros de espesor y no aparecen grietas bajo un microscopio, sin importar cuántas veces se doble. A pesar de su delicada apariencia, ha sido sometido a dos rondas de forja a alta temperatura, al igual que la forja del mítico Sun Wukong en el horno de Laozi".

El Dr. Li señaló dos hornos de grafitización de alta temperatura en el laboratorio, explicando que el material de grafeno en bruto se somete a dos tratamientos de alta temperatura para forjar el material final del colector de corriente de grafeno.

Una inversión de 30 millones de yenes para la validación de la producción

Una vez que se desarrolló el material del colector de corriente de grafeno, se envió al laboratorio de nanotecnología de la Universidad Tecnológica de Wuhan para su caracterización estructural y pruebas de seguridad. A continuación, el equipo fabricó baterías blandas con el material, realizando una serie de pruebas de rendimiento electroquímico.

El reportero señaló que el laboratorio de nanotecnología no solo albergaba baterías de iones de litio, sino también baterías de iones de sodio, baterías de iones de potasio y otros tipos de baterías sometidas a pruebas electroquímicas.

La Dra. Li compartió que sus baterías de iones de litio también se probaron en el Instituto de Investigación de Física de Alta Temperatura y Alta Presión de la Universidad Tecnológica de Wuhan. Con frecuencia discute los datos experimentales con el profesor asociado Yang Jinlong de la Universidad de Shenzhen, analizando los resultados y planificando los próximos pasos de su investigación.

"Durante los últimos años, he viajado a menudo entre el laboratorio de síntesis de películas de grafeno, el laboratorio de nanotecnología y el Instituto de Investigación de Física de Alta Temperatura y Alta Presión. Pero no me siento cansada, siempre que pueda lograr resultados, me siento realizada", dijo el Dr. Li, quien ha estado realizando esta investigación durante cinco años. Incluso después de que termine su período posdoctoral el próximo año, planea continuar profundizando en esta investigación.

El Dr. Li reveló que una empresa ya ha invertido 30 millones de yenes para aumentar la producción, y si la validación tiene éxito, la tecnología se implementará pronto.