Las baterías, antes de perder potencia o sufrir fallos catastróficos, emiten sonidos tenues que pueden revelar los procesos de degradación en su interior. Sin embargo, hasta ahora, no se había logrado interpretar adecuadamente el significado de esos sonidos ni distinguir entre el ruido de fondo y las señales que indican problemas potenciales.
Un equipo de investigadores del Departamento de Ingeniería Química del MIT ha realizado un análisis exhaustivo de los sonidos generados por las baterías de iones de litio. Han logrado correlacionar patrones sonoros específicos con procesos de degradación que ocurren dentro de las celdas. Estos hallazgos podrían sentar las bases para dispositivos pasivos y no destructivos que monitoricen continuamente la salud de los sistemas de baterías, como en vehículos eléctricos o instalaciones de almacenamiento a gran escala, permitiendo prever la vida útil operativa y anticipar fallos.
Los resultados fueron publicados el 5 de septiembre en la revista Joule, en un artículo firmado por estudiantes graduados del MIT, Yash Samantaray y Alexander Cohen, junto con el exinvestigador del MIT Daniel Cogswell, y el profesor Martin Z. Bazant.
Análisis acústico para la detección de fallos en baterías
“En este estudio, mediante un trabajo científico cuidadoso, nuestro equipo ha conseguido decodificar las emisiones acústicas”, afirma Bazant. “Pudimos clasificarlas como provenientes de burbujas de gas generadas por reacciones secundarias o fracturas debidas a la expansión y contracción del material activo, encontrando firmas incluso en datos ruidosos”.
Samantaray añade: “El núcleo de este trabajo es investigar los mecanismos internos de la batería mientras están cargando y descargando, y hacerlo sin causar daños”. Actualmente existen algunos métodos disponibles, pero muchos son costosos y poco prácticos para las baterías en su formato habitual.
Para llevar a cabo su análisis, el equipo combinó pruebas electroquímicas con grabaciones de emisiones acústicas bajo condiciones reales de carga y descarga. Utilizando un procesamiento detallado de señales, lograron correlacionar los datos eléctricos con los acústicos. Esto les permitió desarrollar un método eficiente y económico para comprender la generación de gas y la fractura del material.
Importancia del monitoreo acústico en sistemas de baterías
La generación de gas y las fracturas son dos mecanismos primarios que conducen a la degradación y fallo en las baterías. La capacidad para detectar estos procesos mediante el monitoreo sonoro podría ser una herramienta significativa para quienes gestionan sistemas de baterías.
A diferencia de enfoques anteriores que solo registraban niveles sonoros generales, este estudio simultáneamente monitoriza voltaje y corriente junto con características sonoras. Bazant explica: “Sabemos que las emisiones [sonoras] ocurren a un cierto potencial [voltaje], lo que nos ayuda a identificar qué proceso podría estar causando esa emisión”. Tras estas pruebas, desmantelaron las baterías para estudiar su interior bajo un microscopio electrónico.
Además, aplicaron una transformación wavelet —una técnica para codificar frecuencia y duración— que proporciona firmas distintivas más fáciles de extraer del ruido ambiental. “Nadie había hecho eso antes”, señala Bazant, “lo que representa otro avance significativo”.
Nuevas aplicaciones para la industria automotriz y manufacturera
Bazant destaca que las emisiones acústicas se utilizan ampliamente en ingeniería para monitorear estructuras como puentes ante signos incipientes de fallo. “Es una excelente forma de supervisar un sistema”, indica, ya que esas emisiones ocurren independientemente si se escuchan o no; al prestar atención se puede aprender sobre procesos internos invisibles.
Con respecto a las baterías, menciona: “A menudo tenemos dificultades para interpretar la información sobre voltaje y corriente con la precisión deseada para entender lo que sucede dentro de una celda. Esto ofrece otra ventana al estado general del sistema, incluyendo su vida útil restante y seguridad”. En un artículo relacionado con investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge, el equipo demostró que las emisiones acústicas pueden servir como advertencia temprana ante situaciones peligrosas como el "thermal runaway", lo cual puede provocar incendios si no se detecta a tiempo.
El siguiente paso será aplicar este nuevo conocimiento sobre cómo ciertos sonidos se relacionan con condiciones específicas para desarrollar un sistema práctico e económico de monitoreo basado en esta comprensión. Por ejemplo, han recibido una subvención por parte de Tata Motors para crear un sistema monitorizador para sus vehículos eléctricos. “Ahora sabemos qué buscar y cómo correlacionarlo con la duración útil y la salud”, concluye Bazant.
Papel crucial en el control calidad durante la fabricación
Una posible aplicación adicional es utilizar esta tecnología como herramienta en laboratorios dedicados al desarrollo o prueba de nuevos materiales sin necesidad de abrir las baterías. Bazant también menciona que este sistema podría ser valioso para asegurar la calidad durante la producción. “El proceso más costoso y limitante en la producción suele ser el ciclo formativo”, aclara. Este proceso implica cargar y descargar repetidamente las baterías para 'romperlas', donde parte del mismo involucra reacciones químicas que liberan gas. El nuevo sistema permitiría detectar estas firmas desde etapas tempranas, facilitando así aislar celdas bien formadas frente a aquellas mal formadas incluso antes del inicio efectivo de su vida útil.”
Este trabajo cuenta con el apoyo del Instituto Toyota Research, el Centro para la Sostenibilidad Batería, la Fundación Nacional Científica (NSF) y el Departamento de Defensa estadounidense.
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