Antes de que las baterías pierdan energía, fallen repentinamente o se incendien, tienden a producir sonidos tenues con el paso del tiempo que ofrecen una firma de los procesos de degradación que ocurren dentro de su estructura. Sin embargo, hasta ahora, nadie había logrado interpretar exactamente qué significaban esos sonidos y cómo distinguir entre el ruido de fondo ordinario y los signos significativos de problemas potenciales.
Un equipo de investigadores del Departamento de Ingeniería Química del MIT ha realizado un análisis detallado de los sonidos que emanan de las baterías de iones de litio, logrando correlacionar patrones sonoros específicos con procesos de degradación particulares que tienen lugar dentro de las celdas. Estos nuevos hallazgos podrían proporcionar la base para dispositivos relativamente simples, totalmente pasivos y no destructivos que podrían monitorear continuamente la salud de los sistemas de baterías, como por ejemplo en vehículos eléctricos o instalaciones de almacenamiento a escala de red, permitiendo predecir las vidas útiles operativas y anticipar fallas antes de que ocurran.
Importancia de la Decodificación de Sonidos en Baterías
Los hallazgos fueron reportados el 5 de septiembre en la revista Joule, en un artículo de los estudiantes de posgrado del MIT, Yash Samantaray y Alexander Cohen, el ex investigador del MIT Daniel Cogswell, y el profesor de Ingeniería Química y Matemáticas Martin Z. Bazant. “En este estudio, a través de un trabajo científico cuidadoso, nuestro equipo ha logrado decodificar las emisiones acústicas”, dice Bazant. “Pudimos clasificarlas como provenientes de burbujas de gas generadas por reacciones secundarias o por fracturas debido a la expansión y contracción del material activo, y encontrar firmas de esas señales incluso en datos ruidosos.”
Samantaray explica que, “creo que el núcleo de este trabajo es investigar los mecanismos internos de las baterías mientras se están cargando y descargando, y hacerlo de manera no destructiva.” Añade que, “en el mundo actual, existen algunos métodos, pero la mayoría son muy costosos y no son realmente adecuados para las baterías en su formato normal.”
Desarrollo de un Sistema de Monitoreo Práctico
Para llevar a cabo su análisis, el equipo combinó pruebas electroquímicas con la grabación de las emisiones acústicas, bajo condiciones reales de carga y descarga, utilizando un procesamiento de señales detallado para correlacionar los datos eléctricos y acústicos. Al hacerlo, dice, “pudimos desarrollar un método muy rentable y eficiente para entender realmente la generación de gas y la fractura de materiales.”
La generación de gas y la fractura son dos mecanismos primarios de degradación y falla en las baterías, por lo que poder detectar y distinguir esos procesos solo mediante la monitorización de los sonidos producidos por las baterías podría ser una herramienta significativa para quienes gestionan sistemas de baterías.
Los enfoques anteriores simplemente monitoreaban los sonidos y registraban los momentos en que el nivel de sonido general superaba algún umbral. Pero en este trabajo, al monitorear simultáneamente el voltaje y la corriente junto con las características del sonido, Bazant dice: “Sabemos que las emisiones [sonoras] ocurren a un cierto potencial [voltaje], y eso nos ayuda a identificar qué proceso podría estar causando esa emisión.”
Aplicaciones Futuras y Control de Calidad
Después de estas pruebas, los investigadores desarmaban las baterías y las estudiaban bajo un microscopio electrónico para detectar fracturas en los materiales. Además, realizaron una transformación de wavelet, que esencialmente es una manera de codificar la frecuencia y duración de cada señal capturada, proporcionando firmas distintas que pueden ser extraídas más fácilmente del ruido de fondo. “Nadie había hecho eso antes”, dice Bazant, “así que eso fue otro avance.”
Las emisiones acústicas se utilizan ampliamente en ingeniería, por ejemplo, para monitorear estructuras como puentes en busca de signos de fallas incipientes. “Es una excelente manera de monitorear un sistema”, dice, “porque esas emisiones ocurren ya sea que las estés escuchando o no”, así que, al escuchar, puedes aprender sobre procesos internos que de otro modo serían invisibles.
Con las baterías, dice, “a menudo tenemos dificultades para interpretar la información de voltaje y corriente con la precisión que nos gustaría, para saber qué está sucediendo dentro de una celda. Y así, esto ofrece otra ventana al estado de salud de la celda, incluyendo su vida útil restante y su seguridad también.”
El siguiente paso será tomar este nuevo conocimiento sobre cómo ciertos sonidos se relacionan con condiciones específicas y desarrollar un sistema de monitoreo práctico e inexpensive basado en esta comprensión. Por ejemplo, el equipo tiene una beca de Tata Motors para desarrollar un sistema de monitoreo de baterías para sus vehículos eléctricos. “Ahora, sabemos qué buscar y cómo correlacionarlo con la vida útil, la salud y la seguridad”, dice Bazant.