Pruebas no destructivas de baterías: desarrollo de un nuevo método

¿Cómo funciona una pila recargable? Una pila almacena energía eléctrica en forma química. En su interior hay dos electrodos metálicos y un medio llamado electrolito. Durante la descarga, se producen reacciones químicas en las que las partículas cargadas migran al interior, mientras los electrones fluyen por el circuito externo, suministrando energía eléctrica. En una batería recargable, este proceso puede invertirse: la carga reinicia los procesos químicos para que el dispositivo de almacenamiento de energía pueda utilizarse de nuevo. A lo largo de muchos ciclos de carga, el electrolito cambia, envejece o puede tener fugas, lo que puede inutilizar la batería o, en el peor de los casos, incluso suponer un peligro debido a la generación de calor o una explosión.

"Actualmente faltan métodos fiables para realizar pruebas no destructivas del estado de la batería, ya que la cantidad y la composición química del electrolito no pueden determinarse a través de la carcasa mediante técnicas convencionales. Aquí es exactamente donde entra nuestra investigación", afirma la Dra. Anne Fabricant, coautora del estudio, que participó en los experimentos tanto en el Instituto Helmholtz de Maguncia (HIM) como en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt de Berlín. "Examinamos las pilas utilizando lo que se conoce como resonancia magnética de campo cero a ultrabajo. Las carcasas son transparentes para esta técnica, lo que nos permite ver el interior". En esta técnica de diagnóstico, también conocida como RMN ZULF, la resonancia magnética nuclear se mide sin la influencia de un fuerte campo magnético externo.

"En nuestras pruebas, pudimos demostrar la detección directa y la cuantificación tanto del disolvente como de los componentes de sal de litio de los electrolitos comerciales a través de carcasas metálicas de baterías", explica el profesor Dmitry Budker, que trabaja en el HIM y en la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia y es uno de los campeones del método de RMN ZULF. "Se trataba de celdas de batería empaquetadas de forma realista, incluidas las denominadas geometrías de celda de bolsa que se utilizan en los vehículos eléctricos. Así hemos probado el concepto y allanado el camino para una aplicación práctica de la tecnología".

En el futuro, la RMN de ZULF podría utilizarse para comprobar la integridad de las baterías recargables durante su funcionamiento como parte de las mediciones operando. Un tema de creciente importancia, ya que estas baterías tienen muchos usos, por ejemplo en pequeños dispositivos móviles como teléfonos móviles y ordenadores portátiles, pero también a gran escala en vehículos eléctricos. Son especialmente relevantes para el almacenamiento de energías renovables. Además, las mediciones permiten comprender mejor los procesos electroquímicos y desarrollar tecnologías de próxima generación para las pilas.

"La capacidad de caracterizar de forma no destructiva el volumen y la composición del electrolito contribuye a mejorar el diseño de las baterías y constituye una herramienta fundamental de control de calidad a lo largo de todo el ciclo de vida de la pila", afirma el profesor Alexej Jerschow de la Universidad de Nueva York, colaborador clave del proyecto y galardonado con el Premio Carl-Zeiss-Humboldt de Investigación.

El equipo del profesor Budker planea nuevos experimentos para mejorar el diagnóstico. "Tenemos muchas ideas sobre cómo podemos hacer que la detección sea más precisa y rápida, cómo podemos examinar pilas más grandes y cómo se puede hacer que el proceso sea más rentable", afirma Budker. "Estoy convencido de que, a largo plazo, esta tecnología encontrará su lugar junto a otros métodos de diagnóstico más invasivos".