BAM identifica los isótopos de litio como herramienta diagnóstica para el envejecimiento de las baterías
Los investigadores del Instituto Federal de Investigación y Pruebas de Materiales han descubierto que la distribución de dos isótopos de litio en las celdas está directamente relacionada con los procesos de degradación, como una huella dactilar. Este descubrimiento tiene como objetivo ayudar a comprender mejor los mecanismos de envejecimiento de las baterías.
Imagen simbólica: Una batería de alto voltaje típica para automóviles eléctricos.
Imagen: Stellantis
La vida útil de las baterías de ion de litio está limitada por complejos procesos de envejecimiento, cuyas causas a menudo son difíciles de distinguir. Los investigadores del BAM han demostrado que analizar los isótopos de litio presentes en las celdas puede ofrecer información valiosa, como explican en un artículo publicado en la revista _ACS Energy Letters_.
Específicamente, el equipo dirigido por Carlos Abad y Beatrice Battistella utilizó la distribución de dos isótopos de litio dentro de una celda como herramienta de diagnóstico para los procesos de envejecimiento. El hallazgo clave: “Sus trazas y patrones característicos proporcionan una huella digital de los mecanismos subyacentes de degradación”, señala un comunicado de prensa del BAM.
El contexto es que múltiples procesos complejos dentro de la batería contribuyen a su degradación. “Hasta el momento, el desafío de identificar con claridad estos mecanismos de envejecimiento y distinguirlos entre sí sigue sin resolverse. Aunque los métodos de diagnóstico convencionales indican que una batería está envejeciendo, a menudo solo proporcionan información limitada sobre cuándo, dónde y por qué mecanismo se desencadena la degradación”, explicó el Instituto Federal para la Investigación y Pruebas de Materiales (BAM).
El método recién desarrollado se basa en el hecho de que el litio natural está compuesto por dos isótopos: el litio-6 y el ligeramente más pesado litio-7. Según explica el equipo de investigación, se trata de variantes del mismo elemento químico con un número diferente de neutrones. En las nuevas baterías, ambos isótopos de litio se distribuyen en la misma proporción que en todas las ocurrencias naturales de este metal alcalino, es decir, del 2,4 por ciento al 97,6 por ciento.
Los investigadores examinaron específicamente una batería de litio con un cátodo hecho de óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto y un ánodo de grafito. Según los científicos, el litio-6 comenzó a acumularse preferentemente en el ánodo después de solo unos pocos ciclos de carga. Tras otros 280 ciclos, este efecto se intensificó, mientras que el cátodo presentó un aumento significativo en su contenido de litio-7. Al mismo tiempo, la capacidad de las celdas disminuyó.
Según BAM, la detección fue posible gracias a una forma de espectrometría de masas de alta resolución, que permitió determinar la distribución de los isótopos de litio capa por capa a lo largo de toda la profundidad de los electrodos. Las investigaciones se llevaron a cabo en colaboración con Nu Instruments Ltd. en el Reino Unido y el Instituto Leibniz de Investigación de Sólidos y Materiales de Dresde (IFW Dresden).
“La distribución de los isótopos de litio proporciona, por lo tanto, información directa sobre los procesos de envejecimiento en las baterías de iones de litio. Los isótopos actúan como marcadores naturales. Su distribución ofrece información sobre los mecanismos que controlan el movimiento del litio durante el funcionamiento de la batería y dónde ocurren los cambios”, dijo Beatrice Battistella. Los investigadores también pudieron demostrar que estas trazas están estrechamente relacionadas con la pérdida de capacidad de las baterías.
En el caso de BAM, la importancia de los resultados radica principalmente en sus posibles aplicaciones para mediciones precisas: en lugar de detectar el envejecimiento únicamente a través de la pérdida de capacidad, en el futuro podría vigilarse mucho antes gracias a las huellas dejadas por los isótopos de litio en la celda de batería. “Esto permite comprender con mayor precisión los mecanismos de envejecimiento y es, en última instancia, crucial para mejorar las baterías de manera más dirigida y predecir con mayor exactitud su vida útil”, concluye el instituto.