En nuestros smartphones, nuestros ordenadores y en nuestros coches eléctricos: Utilizamos baterías recargables de iones de litio en todas partes. Pero su capacidad disminuye al cabo de un tiempo. Ahora, un equipo de investigación germano-estadounidense ha investigado la estructura y funcionalidad de estas baterías mediante difracción de neutrones: Han descubierto que los productos de descomposición del fluido electrolítico capturan el litio móvil en la batería y que la distribución del litio dentro de la célula es sorprendentemente desigual.

Las extraordinarias características de la batería de iones de litio han cambiado nuestra vida cotidiana como lo han hecho muy pocos inventos. Sin embargo, con el tiempo se producen diversos efectos que van reduciendo la gran capacidad de almacenamiento de estas baterías.

En la Fuente de Neutrones de Investigación Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) de la Universidad Técnica de Múnich, el Dr. Anatoliy Senyshyn, científico de instrumentos del difractómetro de polvo de alta resolución SPODI, utilizó la dispersión de neutrones para investigar la causa de estos efectos en las baterías cilíndricas de iones de litio.

Junto con otros científicos, busca respuestas a preguntas fundamentales sobre la estructura y el comportamiento de las baterías recargables de iones de litio: ¿Por qué disminuye la capacidad disponible con el tiempo? ¿Cómo se distribuye el litio en la batería?

¿Por qué utilizar los neutrones para investigar una batería recargable?
Observar el interior de una celda de iones de litio durante la carga y la descarga, por ejemplo la descomposición del electrolito o la distribución del litio, es muy difícil desde el exterior de la celda debido a la alta reactividad de los componentes de la misma con el oxígeno y la humedad del aire.
Los neutrones son sensibles a los elementos más ligeros, como el hidrógeno y el litio. Por lo tanto, pueden hacer visible el litio en el interior de una celda, lo que permite realizar investigaciones en condiciones operativas reales.
Otra ventaja de trabajar con neutrones es que pueden utilizarse en pruebas no destructivas. Así, por ejemplo, los investigadores pueden observar los procesos internos de las baterías desde el exterior sin intervenir en el delicado sistema.

¿Por qué se reduce la capacidad de las baterías?
Las celdas de iones de litio producen electricidad cuando los átomos de litio liberan electrones que fluyen a través de un dispositivo conectado. Al mismo tiempo, en el interior de la pila un ion de litio se desplaza de un electrodo a otro; esto significa que siempre hay sólo tantos electrones disponibles como iones de litio. Cuando la pila recargable pierde capacidad, también puede decirse que el litio "se pierde". Pero, ¿a dónde va?
Los experimentos de dispersión de neutrones en los instrumentos STRESS-SPEC y SPODI indicaron una relación lineal entre la pérdida de iones de litio móviles y la descomposición del electrolito, que se produce, por ejemplo, como reacción secundaria no deseada durante la carga.

Los productos resultantes de la descomposición del electrolito atrapan átomos de litio que ya no están disponibles como litio móvil para ser intercambiado entre los dos electrodos. Como resultado, la batería pierde capacidad: Envejece.

¿Cómo se distribuye el litio?
Hasta ahora los modelos teóricos, los cálculos y las mediciones suelen suponer una distribución uniforme del litio en estas baterías. Sin embargo, las investigaciones indican que el litio se distribuye de forma muy desigual desde el principio; y la falta de homogeneidad aumenta con el tiempo.

La modelización de las pilas de iones de litio puede mejorar si los desarrolladores tienen en cuenta esta distribución desigual del litio. Además, se pueden hacer afirmaciones sobre la capacidad de almacenamiento de la célula de iones de litio basándose en la distribución del litio. Estos resultados son una base importante para fabricar en el futuro baterías recargables más eficientes, con una vida útil más larga y un mayor rendimiento.

Publicaciones:

Dominik Petz, Martin J. Mühlbauer, Alexander Schökel, Klaus Achterhold, Franz Pfeiffer, Thilo Pirling, Michael Hofmann y Anatoliy Senyshyn
Heterogeneidad de la litificación del grafito en las celdas de iones de litio de tipo cilíndrico más modernas
Batteries and Supercaps, 28 de octubre de 2020 - DOI: 10.1002/batt.202000178
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/batt.202000178

M.J. Mühlbauer, D. Petz, V. Baran, O. Dolotko, M. Hofmann, R. Kostecki, A. Senyshyn
Distribución no homogénea del litio y el electrolito en celdas cilíndricas de Li-ion envejecidas
Journal of Power Sources, 475 (2020) 228690 - DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228690
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228690

Más información:
El trabajo ha sido financiado por el Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ), la Fundación Alemana de Investigación (DFG), el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) y el Centro Tecnológico de Baviera-California (BaCaTeC), así como por el Departamento de Energía de Estados Unidos, como parte de sus actividades de investigación sobre materiales avanzados para baterías.