Uso de la IRM para observar directamente la disolución de iones metálicos en cátodos de baterías de litio
Muchos de los dispositivos que hacen la vida moderna cómoda y eficiente dependen de pilas recargables. Las baterías de iones de litio, uno de los tipos más comunes, son baratas y funcionan con un alto voltaje, lo que las hace ideales para muchos dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos. Sin embargo, tienen problemas recurrentes de disminución del rendimiento con el uso repetido y hay una creciente preocupación por la seguridad de usar estas baterías a medida que envejecen.
Ilustración de cómo se utilizó la IRM para observar la disolución de iones metálicos.
©Hellar et al.
Una de las causas de esta disminución del rendimiento es la disolución del ion metálico del cátodo en el electrolito de la batería. Sin embargo, ha sido difícil estudiar este proceso, ya que las cantidades en la disolución son muy pequeñas. En consecuencia, para entender lo que ocurre en la batería en el cátodo, los investigadores necesitan saber dónde, cuándo y cuánta disolución se está produciendo antes de poder abordar el problema.
Investigadores de la Universidad de Tohoku han estado trabajando en un método para detectar e investigar la disolución del ion metálico en el cátodo. Utilizando imágenes de resonancia magnética nuclear (IRM), pudieron observar directamente la disolución en tiempo real.
Los resultados de su investigación se publicaron en Communications Materials el 13 de febrero de 2025.
Según Nithya Hellar, investigadora del Instituto de Investigación Multidisciplinar de Materiales Avanzados (IMRAM) de la Universidad de Tohoku, "los resultados del presente estudio demuestran que la disolución de una cantidad muy pequeña de manganeso (Mn) puede detectarse con alta sensibilidad mediante IRM y visualizarse en tiempo real, lo que puede acelerar enormemente la velocidad de la investigación."
La resonancia magnética es una tecnología de imagen médica que utiliza campos magnéticos y ondas de radio para producir exploraciones de imagen. Para aumentar la visibilidad de las zonas de interés en una imagen de RM, se utilizan agentes de contraste como el gadolinio. El gadolinio es paramagnético y puede alterar las propiedades magnéticas de las zonas seleccionadas, aumentando así su visibilidad en la resonancia magnética.
El grupo de la Universidad de Tohoku pudo utilizar este principio de la IRM, ya que el Mn disuelto del cátodo es paramagnético. En concreto, analizaron la disolución del Mn2+ del cátodo LiMn2O4 de tipo espinela, en un electrolito de batería comercial LiPF6 EC:DMC. Si se produce disolución, ésta se manifiesta en un aumento de la intensidad de la señal en las imágenes de resonancia magnética, y eso es exactamente lo que observaron. La resonancia magnética les permitió observar directamente la disolución en tiempo real.
Los investigadores utilizaron esta técnica para investigar si un sistema electrolítico alternativo podría suprimir la disolución. Gracias a la IRM, pudieron observar la disolución del ion metálico. También se deduce que si no se producía un aumento de la señal, es que no se estaba produciendo la disolución. Probaron el sistema electrolítico LiTFSI MCP desarrollado por investigadores del Centro de Investigación de Baterías MEET (Munster Electrochemical Energy Technology) de la Universidad de Munster (Alemania), que creían que suprimiría la disolución del ion metálico. No se observó un aumento significativo de la intensidad de la señal en la resonancia magnética. Por tanto, concluyeron que no había disolución.
La utilización de este método de ensayo proporciona a los investigadores una ayuda inestimable para "explorar la disolución de iones metálicos en cualquier sistema electroquímico bajo diferentes condiciones electroquímicas, como el cambio de la solución electrolítica, la sal, los electrodos y los aditivos. Este método de identificación puede ayudar a diseñar materiales para baterías de litio y mejorar su rendimiento", afirma Junichi Kawamura, profesor emérito de la Universidad de Tohoku.
De cara al futuro, es muy prometedor cómo esta técnica puede aumentar la capacidad de los investigadores para entender cómo funcionan las reacciones dentro de estas baterías y cómo probar una tecnología de baterías alternativa. "Creemos que el método desarrollado aquí puede responder a la pregunta, sin respuesta desde hace tiempo, de cuándo, dónde y cómo se produce la disolución de iones metálicos en el electrodo de la batería de iones de litio, y puede extenderse a otros sistemas electroquímicos", afirma Hellar.
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