BAM identifica los isótopos de litio como herramienta de diagnóstico para determinar la edad de las baterías.
Los investigadores de la Agencia Federal para la Investigación y Prueba de Materiales han descubierto que la distribución de dos isótopos de litio en las celdas está relacionada directamente con los procesos de degradación, al igual que una huella dactilar. Este descubrimiento pretende ayudar a comprender mejor los mecanismos de envejecimiento de las baterías.
Imagen ilustrativa: Una batería de alto voltaje típica para automóviles eléctricos.
Imagen: Stellantis
La vida útil de las baterías de iones de litio está limitada por complejos procesos de envejecimiento, cuyas causas a menudo son difíciles de distinguir entre sí. Los investigadores del BAM pudieron demostrar que vale la pena analizar con más detalle los isótopos de litio presentes en las celdas, como explican en un artículo publicado en la revista especializada ACS Energy Letters.
Específicamente, el equipo encabezado por Carlos Abad y Beatrice Battistella utilizó la distribución de dos isótopos de litio en una celda como herramienta de diagnóstico para los procesos de envejecimiento. La principal conclusión es que “sus huellas y patrones característicos proporcionan una pista sobre los mecanismos de degradación subyacentes”, según se indica en un comunicado del BAM.
El contexto es que en el interior de la batería hay varios procesos complejos responsables de su degradación. “Hasta ahora, el desafío no ha sido resuelto: identificar con claridad estos mecanismos de envejecimiento y diferenciarlos entre sí. Aunque los métodos de diagnóstico tradicionales demuestran que una batería envejece, a menudo solo proporcionan información limitada sobre cuándo, dónde y por qué mecanismo se produce la degradación”, describe la Agencia Federal la situación actual.
El método recién desarrollado aprovecha el hecho de que el litio natural está compuesto por los dos isótopos litio-6 y el ligeramente más pesado litio-7. Según 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 están distribuidos tal como ocurre en todos los yacimientos naturales de este metal alcalino, es decir, en una proporción del 2,4 % frente al 97,6 %.
Concretamente, los investigadores analizaron una batería de litio con una cátodo hecha de óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC) y una anoda de grafito. Según los científicos, ya después de los primeros ciclos de carga, el litio-6 se acumuló preferentemente en la anoda. Tras otros 280 ciclos, este efecto se intensificó, mientras que la cátodo presentó niveles significativamente más altos de litio-7. Al mismo tiempo, disminuyó la capacidad de las celdas.
Según la BAM, fue posible realizar esta detección 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 las electrodos. Las investigaciones se llevaron a cabo en colaboración con Nu Instruments Ltd. en el Reino Unido y con el Instituto Leibniz para la Investigación de Sólidos y Materiales de Dresde (IFW Dresden).
“La distribución de los isótopos de litio proporciona información directa sobre los procesos de envejecimiento en las baterías de iones de litio. Estos isótopos actúan como marcadores naturales; su distribución nos muestra cómo se mueve el litio durante el funcionamiento de la batería y en qué puntos ocurren cambios”, resume Beatrice Battistella. Además, los investigadores pudieron demostrar que estas huellas están estrechamente relacionadas con la pérdida de capacidad de las baterías.
Para la BAM, la importancia de los resultados radica principalmente en sus posibilidades de aplicación para mediciones precisas: en lugar de detectar el envejecimiento únicamente a través de la pérdida de capacidad, en el futuro se podría seguir su evolución con mucha mayor antelación, basándose en las huellas que dejan los isótopos de litio dentro de la celda de batería. “Esto permite comprender con mayor precisión los mecanismos de envejecimiento y es, en última instancia, fundamental para mejorar las baterías de manera más dirigida y predecir con mayor exactitud su vida útil”, concluye el texto.