Una forma libre de daños para medir la salud de las baterías de nueva generación para vehículos eléctricos
La espectroscopia de impedancia electroquímica muestra cómo se degradan las baterías de metal de litio de estado sólido
Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han demostrado que la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) puede ser una poderosa herramienta no destructiva para estudiar los mecanismos de degradación de las baterías de metal de litio de estado sólido. Estudiaron baterías de metal de litio en estado sólido basadas en cerámica y preparadas por deposición de aerosol y calentamiento, identificando la interfaz específica responsable de la caída del rendimiento. Su trabajo pone de manifiesto con precisión los obstáculos de ingeniería que hay que superar para sacar al mercado estas baterías de primera clase.
La deposición en aerosol del material del cátodo consiste en acelerar trozos microscópicos y hacerlos chocar con una superficie de electrolito para formar una película densa. Para conocer los puntos fuertes y débiles de su nuevo diseño de batería, el equipo utilizó la espectroscopia de impedancia electroquímica, aplicando señales eléctricas para medir las resistencias efectivas de la gama de interfaces presentes en la batería.
Tokyo Metropolitan University
Los vehículos eléctricos (VE) son una parte crucial de los esfuerzos realizados en todo el mundo para reducir las emisiones de carbono. Y en el corazón de cada vehículo eléctrico está su batería. El diseño de la batería sigue siendo un cuello de botella clave a la hora de maximizar la autonomía y mejorar la seguridad del vehículo. Una de las soluciones propuestas, las baterías de metal de litio de estado sólido, tiene el potencial de proporcionar una mayor densidad de energía, seguridad y menor complejidad, pero los problemas técnicos siguen obstaculizando su transición a los vehículos de uso diario.
Un problema importante es la gran resistencia interfacial entre los electrodos y los electrolitos sólidos. En muchos diseños de baterías, tanto el cátodo como el electrolito son materiales cerámicos frágiles, lo que dificulta un buen contacto entre ellos. También existe el reto de diagnosticar qué interfaz está causando realmente los problemas. El estudio de la degradación de las baterías de metal de litio de estado sólido suele requerir su apertura, lo que impide averiguar lo que ocurre mientras la batería está en funcionamiento.
Un equipo dirigido por el profesor Kiyoshi Kanamura, de la Universidad Metropolitana de Tokio, ha desarrollado baterías de metal de litio de estado sólido con menor resistencia interfacial mediante una técnica llamada deposición de aerosoles. Se aceleran trozos microscópicos de material catódico hacia una capa de material electrolítico cerámico donde chocan y forman una capa densa. Para superar el problema de la formación de grietas en la colisión, el equipo recubrió los trozos de material del cátodo con un material de "soldadura", es decir, un material más blando y de bajo punto de fusión que puede tratarse térmicamente para generar un excelente contacto entre el cátodo recién formado y el electrolito. Su célula final de Li/Li7La3Zr2O12/LiCoO2 en estado sólido ofrece una alta capacidad de descarga inicial de 128 mAh g-1 tanto a 0,2 como a 60 °C y mantiene una alta retención de capacidad del 87% tras 30 ciclos de carga/descarga. Se trata del mejor resultado de su clase para las baterías de metal de litio de estado sólido con electrolitos de óxido cerámico, por lo que es aún más importante conocer cómo se degradan.
Para ello, el equipo utilizó la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS), una herramienta de diagnóstico muy utilizada en electroquímica. Interpretando cómo responde la célula a señales eléctricas de distinta frecuencia, pudieron separar las resistencias de las distintas interfaces de su batería. En el caso de su nueva célula, descubrieron que el aumento de la resistencia entre el material del cátodo y la soldadura era la principal razón del deterioro de la capacidad de la célula. Y, lo que es más importante, lo consiguieron sin desmontar la célula. Además, pudieron comprobarlo mediante microscopía electrónica in situ, identificando claramente el agrietamiento de la interfaz durante el ciclo.
Las innovaciones del equipo no sólo han hecho realidad un diseño de batería de vanguardia, sino que han puesto de relieve los próximos pasos para realizar nuevas mejoras utilizando un método libre de daños y ampliamente disponible. Su nuevo paradigma promete nuevos e interesantes avances para las baterías de la próxima generación de vehículos eléctricos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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