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La tecnología de baterías ha recorrido un largo camino desde los rudimentarios pila voltaica se desarrolló hace más de dos siglos. La gran innovación de la batería de iones de litio y sus posteriores mejoras ha aumentado el uso y la accesibilidad de la electrónica, particularmente en el mercado de consumo. Los aparatos electrónicos son más portátiles, asequibles y, gracias a las baterías recargables o secundarias, son cada vez más sostenibles.
La expansión de las posibilidades de aplicación es otra razón por la que la investigación del almacenamiento de energía, en particular las baterías, es actualmente un tema candente. Por ejemplo, hace solo una década, los drones eran dominio del complejo industrial militar, y ahora un dron con cámara es una parte estándar de casi cualquier equipo de fotógrafo o influencer exitoso. Gracias a una mayor duración de la batería y materiales más rentables, un dron ahora tiene un precio asequible para un segmento más grande de la población civil.
Este tipo de disrupción también está ocurriendo en mercados más grandes y rentables. Tesla, una marca de interés periodístico gracias a sus innovaciones tecnológicas y relaciones públicas, todavía tiene una participación de mercado pequeña, aunque creciente, en el mercado automotriz en general. Su éxito ha desafiado a otras marcas establecidas a reconocer que un cambio de los motores de combustión convencionales puede ser lucrativo. Volvo y Ford apuestan por ser «totalmente eléctricos» para 2030 [1]. General Motors (GM) se ha comprometido no solo a ser eléctrica para 2035, sino también a que su negocio sea neutral en carbono para 2040 [2].
El mercado automotriz es un ejemplo de alto perfil de una industria que reestructurará drásticamente su sector, desde la fabricación hasta las ventas, y esto sucederá en muchas otras industrias a medida que los gobiernos y los consumidores se centren más en el cambio climático y las fuentes de energía renovable. Se requerirá una I+D precisa y escalable para hacer posible estas transformaciones, y la búsqueda de mejores soluciones de almacenamiento de energía está en el centro de estos cambios.
La electroquímica fue la clave para el descubrimiento del almacenamiento de energía y es la técnica natural elegida para futuras innovaciones.
Técnicas de caracterización electroquímica de baterías de iones de litio
En primera parte de esta serie, presentamos varias técnicas para analizar la composición y la pureza de los materiales de los electrodos y las sales de litio, además de la determinación precisa del contenido de agua en los materiales de la batería.
Supercargue su investigación de batería - Parte 1
En este artículo destacamos técnicas que permitirán la caracterización de múltiples atributos del comportamiento electroquímico de baterías de Li-ion usando un potenciostato/galvanostato de alta precisión. En algunos casos, la diferencia entre las técnicas se debe a que se realiza el experimento en un modo diferente (es decir, potenciostático o galvanostático), y la información adicional recopilada brinda una imagen más completa del comportamiento de la batería.
Técnica de titulación galvanostática intermitente (GITT)
Una de las primeras técnicas disponibles para los investigadores que exploran las propiedades de los materiales de los electrodos de las baterías es la Técnica de titulación intermitente galvanostática (GITT). Generalmente realizada en una media celda, esta técnica consiste en una serie de perturbaciones de corriente seguidas de un tiempo de relajación, que proporciona información sobre las propiedades termodinámicas y los materiales de los electrodos, incluido el coeficiente de difusión crítico. Toda esta información brinda una mejor comprensión del comportamiento electroquímico que se puede esperar de los materiales.
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Técnica de titulación intermitente potencioestática (PITT)
Técnica de titulación intermitente potencioestática (PITT) es similar a la técnica GITT detallada anteriormente, pero el PGSTAT funciona en modo potenciostático. Se aplica una serie de perturbaciones escalonadas de potencial al sistema y la corriente se mide en función del tiempo. Tanto GITT como PITT son capaces de determinar con precisión el coeficiente de difusión.
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Al utilizar un PGSTAT en modo galvanostático, también puede caracterizar el rendimiento de las baterías de iones de litio mediante el uso de diferentes tasas de corriente y carga y descarga durante varios ciclos, conocido coloquialmente como «ciclismo». Con esta técnica, los investigadores pueden comprender el rendimiento de la tasa de la batería de iones de litio, su capacidad y la densidad de potencia y energía asociada. Esta es la técnica más utilizada en la investigación de baterías. Generalmente se aplica un procedimiento de voltaje constante de corriente constante (CCCV) para asegurarse de que una batería esté completamente cargada, mientras se evita cualquier sobrecarga de la batería.
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Carga-descarga galvanostática de una batería de Li-ion con Autolab
CCCV es el estándar de la industria para la carga de baterías de iones de litio, y PGSTAT opera tanto en modo galvanostático como potenciostático para esta medición. El ciclo galvanostático se realiza dentro de una ventana potencial segura en la que el electrolito es estable. Cualquier ligera desviación del corte potencial puede resultar en una vida útil deficiente.
Espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS)
Espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) proporciona datos adicionales y, por lo tanto, una mayor comprensión del comportamiento de la batería y el rendimiento potencial mediante el uso de ciclos galvanostáticos de carga/descarga y luego agrega la técnica más poderosa que se usa ampliamente en la investigación actual de baterías. Con EIS, se puede caracterizar el comportamiento altamente dinámico de una batería y la difusión de iones en las interfaces. En un único procedimiento experimental que abarca una amplia gama de frecuencias, la influencia de los fenómenos físicos y químicos que gobiernan puede aislarse y distinguirse en una gama de frecuencias y un estado de carga dados. Con EIS es posible medir la impedancia interna de la batería y modelarla utilizando el circuito equivalente y comprender la contribución de los componentes de la batería a la impedancia total de la celda.
Para la determinación EIS de las baterías es importante utilizar Detección de 4 terminales para evitar la contribución de los cables a la impedancia total. Esto es importante para cualquier sistema electroquímico de baja impedancia. Obtenga más información sobre esta investigación descargando nuestras Notas de aplicación gratuitas a continuación.
Autolab DuoCoin Cell Holder de Metrohm con medidas EIS en una pila comercial
Con EIS, es posible determinar la tortuosidad a través del plano de los electrodos de la batería, que junto con la conductividad general del electrolito, la número de transferencia de un Li-ion de electrolito de batería, y coeficiente de difusión del electrolito da una buena indicación de la practicidad de cierta química de batería para aplicaciones de alta potencia. Además, la limitación del transporte de masa del separador de batería y su conductividad iónica juegan un papel crucial en el rendimiento general de las baterías.
Al determinar el Número MacMullin, los investigadores pueden determinar la calidad de los separadores para su aplicación en ciertas celdas de iones de litio.
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Determinación del número de transferencia de iones de litio de un electrolito de batería por VLF-EIS
Determinación del coeficiente de difusión binaria de un electrolito de batería
Para obtener más información sobre este tema, descargue nuestro informe técnico gratuito a continuación, escrito por innovadores de instrumentos electroquímicos en Metrohm Autolab. Este documento proporciona información adicional sobre técnicas electroquímicas aplicables y proporciona definiciones útiles de terminologías que son relevantes para la investigación y el desarrollo de baterías de iones de litio.
WP-052: Una guía para la investigación y el desarrollo de baterías de iones de litio
