Investigación sobre baterías: la distribución de los isótopos de litio sirve como «huella digital» de los procesos de envejecimiento
Un nuevo método de diagnóstico detecta el deterioro de la batería antes que la medición de la capacidad
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La vida útil de las baterías de iones de litio se ve limitada por complejos procesos de envejecimiento, cuyas causas suelen ser difíciles de distinguir entre sí. Investigadores del Instituto Federal de Investigación y Ensayo de Materiales (BAM) han podido demostrar que la distribución de dos isótopos de litio en las celdas, a modo de «huella dactilar», está directamente relacionada con los procesos de degradación. Esta relación abre nuevas posibilidades para comprender mejor los mecanismos de envejecimiento y optimizar las baterías de forma más específica.
La distribución de los isótopos de litio 6 y 7 en una célula deja una huella característica y puede servir como herramienta de diagnóstico para los procesos de envejecimiento.
BAM
Las baterías de iones de litio son una tecnología clave para la transición energética. Sin embargo, a pesar de los continuos avances en rendimiento y vida útil, sigue sin resolverse un problema fundamental: las celdas envejecen con cada ciclo de carga y descarga. Su capacidad disminuye y su rendimiento se reduce.
Esto se debe a varios procesos complejos que tienen lugar en el interior de la batería. Hasta ahora, sigue sin resolverse el reto de identificar de forma inequívoca estos mecanismos de envejecimiento y distinguirlos entre sí. Aunque los métodos de diagnóstico convencionales muestran que una batería está envejeciendo, a menudo solo proporcionan información limitada sobre cuándo, dónde y mediante qué mecanismo se desencadena la degradación.
Un equipo del BAM, dirigido por Carlos Abad y Beatrice Battistella, ha desarrollado un nuevo enfoque que se ha publicado en la revista especializada ACS Energy Letters. Los investigadores utilizan la distribución de dos isótopos de litio en una celda como herramienta de diagnóstico de los procesos de envejecimiento. Sus huellas y patrones característicos proporcionan una «huella dactilar» de los mecanismos de degradación subyacentes.
El método aprovecha el hecho de que el litio natural está compuesto por dos isótopos: el litio-6 y el litio-7, ligeramente más pesado. Se trata de variantes del mismo elemento químico con un número diferente de neutrones. En las baterías nuevas, ambos isótopos de litio se distribuyen igual que en todos los yacimientos naturales de este metal alcalino, es decir, en una proporción de 2,4 a 97,6 por ciento. En concreto, los investigadores han estudiado una batería de litio con un cátodo de óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC) y un ánodo de grafito. Ya tras los primeros ciclos de carga, el litio-6 se acumuló preferentemente en el ánodo. Tras otros 280 ciclos, este efecto se intensificó, mientras que el cátodo presentaba un contenido de litio-7 notablemente mayor. Al mismo tiempo, la capacidad de las celdas disminuyó.
La detección fue posible gracias a una técnica de espectrometría de masas de alta resolución, que permitió determinar la distribución de los isótopos de litio capa por capa a lo largo de toda la profundidad de los electrodos. Las investigaciones se llevaron a cabo en colaboración con Nu Instruments Ltd. en el Reino Unido, así como con el Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Sólidos de Dresde (IFW Dresden).
«La distribución de los isótopos de litio proporciona así información directa sobre los procesos de envejecimiento en las baterías de iones de litio. Los isótopos actúan como marcadores naturales. Su distribución nos muestra cómo se desplaza el litio durante el funcionamiento de la batería y en qué puntos se producen cambios», afirma Beatrice Battistella. Los investigadores pudieron demostrar además que estos rastros están estrechamente relacionados con la pérdida de capacidad de las baterías.
Para Beatrice Battistella y Carlos Abad, la importancia de los resultados radica sobre todo en sus posibilidades de aplicación para realizar mediciones precisas: en lugar de detectar el envejecimiento únicamente a partir de la pérdida de capacidad, en el futuro se podría seguir mucho antes a partir de los rastros que dejan los isótopos de litio en la celda de la batería. Esto permite comprender con mayor precisión los mecanismos de envejecimiento y, en última instancia, resulta decisivo para mejorar las baterías de forma más específica y predecir su vida útil con mayor exactitud.
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 Alemán se puede encontrar aquí.
Publicación original
Beatrice Battistella * ; Adam Revill; Cornel Venzago; Volker Hoffmann; Leonardo Agudo Jácome; Dominik Al-Sabbagh; Sebastian Recknagel; Carlos Abad *; Depth-Resolved Lithium Isotope Fractionation as a Diagnostic of Interphase Evolution and Degradation in Lithium-Ion Batteries; ACS Energy Lett. (2026) 11 (3): 2851–2857.
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