Tecnología cuántica e IA: la clave para aplicaciones seguras de segunda vida de las baterías de iones de litio
Innovador método de ensayo rápido para determinar con precisión el estado de las baterías de uso industrial
Para promover la sostenibilidad de la electromovilidad y mejorar la eficiencia de los recursos, el upcycling de las baterías de iones de litio está cobrando cada vez más importancia. Los esfuerzos se centran en ralentizar los ciclos de los materiales reutilizando las baterías usadas de los vehículos eléctricos para nuevas aplicaciones en lugar de transferirlas directamente a procesos de reciclado. A pesar de su importante potencial real para conservar recursos, el upcycling aún no se ha puesto de moda debido a problemas técnicos y económicos. Sin embargo, un equipo de investigadores ha desarrollado un método práctico que combina un método de medición de alta velocidad y la inteligencia artificial (IA) para superar estas barreras.
¿Es posible reutilizar de forma eficiente y segura las baterías de los vehículos eléctricos y qué retos técnicos y económicos hay que superar? Esta pregunta está en el punto de mira del proyecto de investigación "QuaLiProM", financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación alemán (BMBF). Un equipo interdisciplinar ha asumido el objetivo científico de determinar la potencia residual y la vida útil restante de las baterías de iones de litio usadas de forma no destructiva, rápida y segura. Su objetivo es hacer posible un enfoque fiable y económicamente viable para el uso secundario de las pilas de batería, allanando el camino para el upcycling sostenible de las baterías.
¿Cómo de sana es una batería? Estado de la técnica y problemas existentes para determinar su estado
Las baterías de iones de litio se degradan con el tiempo, tanto durante su almacenamiento como durante su funcionamiento. Esta degradación se manifiesta como una pérdida de capacidad y un aumento de la resistencia interna, lo que provoca un descenso gradual de la producción de energía y del rendimiento general. El estado de salud de una batería suele definirse mediante el Estado de Salud (SoH), un parámetro que describe el grado de envejecimiento de la célula con respecto a su estado original.
La determinación precisa del SoH es fundamental para evaluar el rendimiento de la batería y estimar su vida útil restante. Sin embargo, conseguirlo presenta varios retos, que actualmente se abordan mediante diversos métodos experimentales. Las mediciones electroquímicas, como las pruebas de ciclo o la espectroscopia de impedancia electroquímica, se utilizan habitualmente para determinar parámetros clave como la capacidad residual y la resistencia interna en celdas envejecidas. Sin embargo, la importancia de estos métodos es limitada si no se tienen en cuenta los valores iniciales de rendimiento de las células nuevas. Además, estas técnicas requieren el contacto eléctrico directo de las células, lo que las hace inadecuadas para diagnósticos rápidos. Además, este método de ensayo tradicional sólo proporciona información sobre el estado global de la célula, sin capacidad para detectar defectos localizados o puntos calientes de carga.
En contraste con estos métodos convencionales, la magnetometría atómica ofrece un enfoque innovador para la determinación rápida, rentable y precisa del SoH de las células de iones de litio utilizando sensores cuánticos basados en diamante. En el campo de la investigación de baterías, ya se ha demostrado que este método puede medir con precisión la magnetización de las celdas de batería en función de las condiciones. En concreto, los sensores cuánticos han demostrado su capacidad para detectar defectos, impurezas y el estado de carga. Basándose en estos prometedores resultados, el proyecto "QuaLiProM" se centró en el desarrollo de un método de medición de alta velocidad que integra la magnetometría atómica con la IA. El objetivo es permitir la clasificación de las celdas de batería por su SoH para aplicaciones industriales.
Innovador método de ensayo rápido para determinar con precisión el estado de las baterías de uso industrial
Para desarrollar la metodología de prueba rápida, el proyecto "QuaLiProM" somete a las células de iones de litio a una degradación acelerada mediante pruebas de envejecimiento cíclico. Los datos de las mediciones electroquímicas recogidos durante estas pruebas sirven de base de datos para identificar los mecanismos de envejecimiento dominantes. El registro y la evaluación de estos datos permiten obtener información precisa sobre el estado y el rendimiento restante de las celdas. A continuación, las pilas envejecidas se examinan mediante magnetometría atómica. El sensor cuántico empleado en este método de ensayo mide con gran precisión el campo magnético de las pilas observando el espín de un centro de vacantes de nitrógeno en un diamante. Este defecto emite un número variable de partículas luminosas en función del campo magnético circundante. Estos mapeos proporcionan información valiosa sobre posibles anomalías en las celdas de las baterías. Este método no destructivo no requiere largos ciclos de carga y descarga, por lo que resulta muy adecuado para integrarlo en los procesos de producción de pilas, así como para aplicaciones de reciclado o upcycling. Uno de los principales objetivos del proyecto es llevar esta metodología del laboratorio a la industria.
Para el análisis basado en IA de los mapeos de campo magnético, se emplean métodos innovadores de aprendizaje profundo para identificar rasgos característicos, denominados "rasgos de salud", que muestran una clara correlación con el SoH de las células. Estas características permiten clasificar las células en función de su estado de envejecimiento, por ejemplo, sanas, degradadas o defectuosas. El objetivo principal es detectar las células degradadas pero aún funcionales que ya no son aptas para su uso en vehículos eléctricos debido a su insuficiente capacidad. Mediante el desarrollo de estrategias de upcycling a medida y la exploración de nuevas aplicaciones de segunda vida en ámbitos menos exigentes, el proyecto pretende fomentar el uso sostenible y eficiente de los recursos de las pilas. Además, pretende acelerar su transferencia a la industria.
Socios del proyecto
- Industrial Dynamics GmbH (Coordinador)
- Sekels GmbH
- Battery Dynamics GmbH
- Nehlsen AG
- Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Grupo de Tecnologías Cuánticas Aplicadas
- Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación y Materiales Avanzados IFAM
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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