Envejecimiento de baterías de iones de litio


Electric Battery for Automobile
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En la carrera hacia un mundo más sostenible, los vehículos eléctricos (VE) y los sistemas de almacenamiento de energía (ESS, por sus siglas en inglés) están desempeñando un papel crucial. Sin embargo, a medida que estas tecnologías se adoptan de manera masiva, surge una interrogante crítica: ¿cómo se comportan las baterías tras miles de ciclos de carga y descarga? Un estudio reciente ha arrojado luz sobre este desafío, analizando de manera exhaustiva la degradación de celdas comerciales altamente cicladas mediante técnicas avanzadas como la difracción de rayos X de sincrotrón (SR-XRD).

Con el avance tecnológico, las baterías de iones de litio están alcanzando vidas útiles más prolongadas, permitiendo aplicaciones innovadoras como el almacenamiento de vehículo a red (V2G) y la reutilización de baterías de "segunda vida" en ESS. Estas iniciativas prometen reducir los costos de almacenamiento energético y aprovechar al máximo los recursos disponibles. Sin embargo, su éxito depende de una comprensión precisa de cómo las baterías se degradan tras un uso intensivo.

La degradación en las celdas de iones de litio es un fenómeno complejo y multifacético que varía dependiendo de los materiales y las condiciones de operación. Este estudio analiza cómo los efectos de la degradación se manifiestan en celdas comerciales sometidas a miles de ciclos, una situación que se asemeja a las condiciones del mundo real.

La difracción de rayos X ha sido una herramienta clave en la investigación de baterías durante décadas. Sin embargo, la SR-XRD destaca por su capacidad de mapear celdas comerciales degradadas con resolución espacial y temporal. En este estudio, se caracterizaron celdas policristalinas de NMC622 y monocristalinas de NMC532, fabricadas comercialmente, que fueron sometidas a ciclos extensivos. Estas celdas representaban condiciones reales de operación, con la primera alcanzando más de 2,5 años de uso y la segunda superando los 20.000 ciclos, equivalentes a unos 8 millones de kilómetros recorridos por un VE.

Los hallazgos mostraron una heterogeneidad espacial notable en las celdas degradadas, con diferencias significativas en el estado de carga (SoC) entre distintas regiones de la celda. También se observó un comportamiento cinético complejo que no puede ser explicado por modelos convencionales basados en datos promediados.

Uno de los aspectos más reveladores de este estudio fue la comparación entre las celdas policristalinas NMC622 y las monocristalinas NMC532. Mientras que las primeras mostraron microfisuras extensas, hinchamiento de electrodos y delaminación, las segundas mantuvieron fracciones inactivas del cátodo extremadamente bajas, incluso después de 20.000 ciclos. Estos resultados destacan cómo la selección de materiales puede mitigar significativamente los efectos de la degradación.

El avance de las aplicaciones de ciclo intensivo, como V2G y ESS de segunda vida, depende de modelos precisos que reflejen el comportamiento real de las celdas degradadas. Este estudio demuestra que la combinación de experimentos con resolución espacial y temporal es esencial para comprender los efectos emergentes de la degradación.

Además, los hallazgos resaltan la necesidad de enfoques empíricos para modelar celdas altamente degradadas. Las suposiciones simplistas sobre la distribución espacial y el comportamiento cinético de los componentes no son suficientes para capturar la complejidad observada en este estudio.

A medida que más VE lleguen al final de su vida útil, la cantidad de baterías disponibles para aplicaciones de segunda vida seguirá creciendo. Este escenario subraya la importancia de investigaciones como esta, que buscan optimizar el uso de recursos y fomentar una economía circular en el sector energético.

En resumen, este trabajo no solo proporciona una base sólida para futuros estudios sobre baterías degradadas, sino que también destaca el papel crucial de la ciencia avanzada en la transición hacia un futuro más sostenible. La integración de técnicas como la SR-XRD con materiales avanzados podría marcar el camino hacia baterías más duraderas y aplicaciones energéticas más eficientes.


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Referencia: Bond, T., Gauthier, R., King, G., Dressler, R., Abraham, J. J., & Dahn, J. R. (2024). The complex and spatially heterogeneous nature of degradation in heavily cycled Li-ion cells. Journal of the Electrochemical Society, 171(11), 110514. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ad88a8

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