Mapas de imágenes nano-CT de degradación de la batería interna

Los minerales que alimentan las baterías de iones de litio, incluidos el litio, el níquel, el cobalto, el manganeso y el grafito, son altamente valiosas y difíciles de encontrar.

A medida que la capacidad de almacenamiento de la batería en los Estados Unidos continúa creciendo, las limitaciones en la minería, la refinación y el procesamiento de minerales clave deja nuestros sistemas de energía vulnerables a las fluctuaciones de los mercados extranjeros. China mantiene un control significativo en la cadena de suministro de la batería, incluido del 60% al 90% del procesamiento global de minerales para litio, níquel y cobalto, según un informe reciente del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

El reciclaje directo de los cáculos de la batería dentro de los Estados Unidos ofrece la oportunidad de fortalecer las cadenas de suministro de baterías domésticas y extender la vida útil de los materiales críticos. Sin embargo, los métodos tradicionales de reciclaje de baterías son caros y son intensivos en energía, descomponen los materiales a sus elementos básicos y la reconstrucción de las baterías desde cero.

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) están explorando un método alternativo en el reciclaje directo, cuyo objetivo es preservar y renovar los componentes de la batería para un proceso más eficiente y rentable. Desafortunadamente, no todas las baterías recicladas directas son iguales. El daño microscópico y difícil de detectar dentro de las células se acumula con el tiempo, debilitando el rendimiento de algunas baterías. Los materiales recuperados de alta calidad aseguran que las baterías recicladas logren el rendimiento y la vida útil por los consumidores.

Ideas de alta resolución para mejorar la recuperación

Los investigadores de NREL buscan imágenes de tomografía computarizada de rayos X (Nano-CT) de baterías al final de su vida útil para revelar fallas ocultas que afectan la calidad de los materiales recuperados para el reciclaje. El escáner nano-CT de última generación de NREL puede lograr una impresionante resolución espacial de 50 nanométrica, una habilidad típicamente reservada para las instalaciones de rayos X sincrotrón de alta energía. La investigación relacionada se publica en la revista Materiales energéticos avanzados.

Esta herramienta de imagen avanzada permite a los investigadores analizar la estructura interna y la composición de los materiales energéticos con un detalle excepcional. Debido a que la nano-CT no es destructiva, los científicos pueden observar estos cambios a medida que ocurren en tiempo real, ofreciendo información esencial sobre cómo cambian los materiales de la batería durante la operación y el ciclismo.

“Esta imagen interna de alta resolución nos permite inspeccionar tipos de degradación específicos que existen en los materiales de batería al final de la vida”, dijo Donal Finegan de NREL, un senior de almacenamiento de energía. “Combinado con otras herramientas de microscopía e inteligencia artificial avanzada, la nano-CT ayuda a identificar las barreras que enfrentan el reciclaje directo para que podamos desarrollar técnicas para recuperar y renovar materiales de alta calidad que maximizan el rendimiento de la batería”.

Pequeñas grietas, grandes impactos

“Al principio de este proyecto, encontramos que el material de fin de vida mostraba una capacidad energética similar a las celdas de batería impecables y no utilizadas, sin embargo, la tasa de carga disminuyó severamente”, dijo Melissa Popeil, una investigadora doctoral de almacenamiento de energía NREL. “Nos sorprendió descubrir que el tipo de daño principal que limita el rendimiento de la batería fue los cambios morfológicos o el agrietamiento de las partículas dentro de la microestructura del material”.

Lo que comenzó como una evaluación básica de rendimiento electroquímico se expandió rápidamente para incluir la caracterización en profundidad de la capacidad de la celda de la batería, la composición, la morfología, la microestructura y más para determinar el alcance de la degradación. Para mantener la relevancia del mundo real, el proyecto analizó las celdas comerciales de la batería que se ciclaron en condiciones realistas a largo plazo como parte de la oficina de tecnologías de vehículos del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Los investigadores utilizaron escaneo de nano-CT junto con la caja de herramientas de análisis de microestructura de NREL (Matbox) para identificar y cuantificar los tipos de daño dentro de cada celda, aislando diferentes capas para maximizar la variación espacial.

A medida que los investigadores continúan desarrollando nuevos procesos de reciclaje directo, deberán abordar estas grietas severas en los materiales activos del cátodo. Afortunadamente, los investigadores de NREL están a la altura del desafío.

“Ahora que hemos identificado el alcance de este agrietamiento, estamos evaluando nuevas formas de procesar el material de fin de vida para reparar parte de ese daño”, dijo Popeil. “Al dirigir los cambios mecánicos al material, podemos evitar un procesamiento químico extenso a favor de métodos de recuperación simplificados y más eficientes”.

Esta investigación subraya la importancia de las técnicas de caracterización avanzada, como el escaneo de nano-CT, al determinar un futuro para las baterías de iones de litio gastadas o desechadas. A continuación, los investigadores ampliarán el proyecto para incluir una gama más amplia de materiales de batería que ingresan a la corriente de desechos para optimizar los procesos de reciclaje para diferentes químicas de batería, extendiendo la vida útil y el valor de los minerales críticos dentro de la cadena de suministro de los Estados Unidos.