La configuración de operando permite la visualización de los procesos de envejecimiento de la batería durante los ciclos de carga
Aquí hay una selección de distribuciones de elementos 3D de elementos individuales después de 10,000 ciclos de carga, es decir, post mortem: en la parte superior izquierda, se puede ver el electrolito cristalizado, el hierro en los contactos de metal y el cobre desde el contacto posterior se ha mantenido estable, mientras que el manganeso desde el cátodo NMC (tira azul claro superior) se ha depositado parcialmente en la parte inferior del anodo. La publicación contiene la explicación completa. Crédito: Blix/Tu Berlín/HZB
Las células del botón de litio con electrodos hechos de óxidos de níquel-masanganeso-cobalto (NMC) son muy poderosas. Desafortunadamente, su capacidad disminuye con el tiempo. Ahora, por primera vez, un equipo ha utilizado un método no destructivo para observar cómo la composición elemental de las capas individuales en una celda de botón cambia durante los ciclos de carga.
El estudio, publicado en la revista Small, involucró equipos de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), la Universidad de Münster, investigadores del Grupo de Investigación Synclab en HZB y el Laboratorio BLIX en la Universidad Técnica de Berlín. Las mediciones se llevaron a cabo en el laboratorio BLIX y en la fuente de radiación sincrotrón de Bessy II.
Las baterías de iones de litio se han vuelto cada vez más mejores. La combinación de óxidos en capas de níquel-manganeso-cobalto (NMC) con un electrodo de grafito (ánodo) se ha establecido bien como el material del cátodo en las células del botón y se ha mejorado continuamente. Sin embargo, incluso las mejores baterías no duran para siempre; Envejecen y pierden capacidad con el tiempo.
“Mucho ocurre en las interfaces entre el ánodo, el separador y el cátodo mientras se carga o descarga una batería”, explica Ioanna Mantouvalou, física de HZB y primer autor del estudio. Por lo general, estos cambios solo se estudian después de que la batería se ha desmontado, es decir, ex situ y en un punto específico del proceso de ciclismo.
Pero ahora hay otra forma: los experimentos in situ y operando permiten a los investigadores mirar dentro de la batería mientras se producen los procesos, utilizando fluorescencia de rayos X (XRF) y espectroscopía de absorción de rayos X (XAS) en una llamada geometría confocal. Esta geometría permite el escaneo 3D de una muestra con resoluciones de profundidad a 10 µm. Dichas configuraciones experimentales ya son posibles en la fuente de radiación sincrotrón Bessy II. Sin embargo, el tiempo de medición en Bessy II es limitado, por lo que las baterías no pueden estudiarse durante toda su vida.
La configuración en el laboratorio BLIX permite analizar la composición de las capas individuales de una célula de botón completamente automáticamente durante semanas de operación utilizando espectroscopía de fluorescencia de rayos X confocales. Crédito: Blix/Tu Berlín/HZB
Por lo tanto, Ioanna Mantouvalou utiliza un espectrómetro confocal de fluorescencia de rayos X de micro en Blix, que puede analizar muestras completamente automáticamente durante largos períodos de tiempo.
“La configuración confocal nos permite distinguir las capas individuales del cátodo NMC al contacto posterior y estudiar su composición elemental. Esto nos da información espacialmente resuelta en la operación sin cambiar la pila de capa; no destructivo, cuantitativo, en condiciones de funcionamiento, es decir, operando”, dice Mantouvalou.
Los investigadores analizaron una célula de botón de litio en el instrumento BLIX durante varias semanas y más de 10,000 ciclos de carga, proporcionando datos sobre la degradación del electrodo NMC con el tiempo. Además, la muestra se examinó en la nueva línea de haz de microfocus (MIFO) en el laboratorio PTB en Bessy II.
El estudio muestra que durante las primeras tres semanas, el manganeso en particular se disuelve del cátodo NMC y migra al ánodo de carbono. Este proceso toma alrededor de 200 ciclos. Después de eso, el compuesto se disuelve cada vez más en las capas intermedias, lo que detiene reacciones y procesos adicionales.
“Necesitamos urgentemente tales resultados cuantitativos para mejorar aún más las baterías”, dice Mantouvalou.
El dispositivo en el laboratorio BLIX también se puede utilizar para experimentos en otros materiales.
Más información: Ioanna Mantouvalou et al, medición operando de deposición de metales de transición en una batería de iones de litio NMC utilizando espectroscopía de fluorescencia de rayos micro -x de laboratorio, pequeño (2025). Doi: 10.1002/smll.202502460
Información en la revista: Pequeño proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemania
Cita: la configuración de operando permite la visualización de los procesos de envejecimiento de la batería durante los ciclos de carga (2025, 29 de abril) Recuperado el 29 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-operando-setup-enables-visualization-battery.html
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