Nuevas metodologías de control de calidad en línea de la interfaz sólido-electrolito de las baterías
A medida que aumenta el número de vehículos eléctricos (VE) que circulan por las carreteras, las baterías siguen siendo un área fundamental de investigación. Para comprender y mejorar los procesos de carga, descarga y envejecimiento de las baterías de los VE, es necesario caracterizar los componentes a microescala en condiciones reales. Todavía no se han investigado las características de impedancia a micro y nanoescala de las baterías. Por primera vez en el mundo, el equipo del proyecto NanoBat, financiado con fondos europeos, ha colmado esta laguna crítica con nanotecnologías de radiofrecuencia en gigahercios (GHz) y herramientas de medición de la impedancia a microescala para baterías de iones de litio y de otros tipos. Respaldarán la producción de baterías y la posición de liderazgo de Europa en este mercado mundial en crecimiento.
Acercamiento a la interfase de electrolito sólido
La interfase de electrolito sólido (SEI, por sus siglas en inglés) del electrodo, creada en un sofisticado proceso al final de la cadena de producción de la celda de batería, representa una parte considerable de los costes de producción de las baterías de los VE. Esta finísima capa —menos de una milésima parte del diámetro de un cabello— es fundamental para el rendimiento, la fiabilidad y la durabilidad de la celda de la batería, y muy a menudo presenta anomalías o defectos difíciles de detectar. Según el coordinador de NanoBat, Ferry Kienberger, de Keysight Technologies (Austria): «Las técnicas y los modelos de medición eléctrica de NanoBat se centraron en comprender y predecir la fiabilidad de la capa de la SEI antes de que la celda de la batería del VE se incorpore a un módulo o paquete de baterías definitivo».
Un conjunto de herramientas de frecuencias de banda ancha con técnicas de alta resolución en condiciones naturales de funcionamiento
En cuanto a la microscopía de sonda de barrido, «ampliamos la frecuencia de funcionamiento del microscopio de microondas de barrido a 20 GHz, lo que aumenta 100 veces la resolución de la impedancia a escala nanométrica en comparación con los microscopios de baja frecuencia». El tiempo de generación de imágenes de los microscopios se redujo de aproximadamente media hora por fotograma a varios minutos, a la vez que se mantuvo la resolución lateral», explica Kienberger. «Un método de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIE) recién calibrado y 10 veces más sensible a frecuencias de hasta 100 kHz permitió que los investigadores realizaran mediciones en grandes celdas de batería de VE (un paquete de 396 celdas) con una resolución de impedancia de unos pocos microohmios», añade Kienberger. El sistema de EIE fue calibrado metrológicamente y verificado en una prueba Round Robin con fabricantes de equipos originales. Por último, el equipo desarrolló una medición de autodescarga para el control de calidad de las celdas y una nueva prueba de separadores de alto voltaje. La primera acorta el tiempo de prueba de las celdas en las líneas de producción de baterías para vehículos eléctricos de una semana a veinte minutos, lo que reducirá el desperdicio de material y el costoso desmontaje de los paquetes de celdas defectuosas.
Satisfacción de las partes interesadas más exigentes y aceleración del acceso
El equipo de NanoBat demostró sus modelos de impedancia basados en la nanociencia y sus métodos de ensayo metrológico en líneas piloto de fabricación y en pruebas de campo de fabricantes de equipos originales. «Los agentes principales del sector europeo de fabricación de baterías para VE (BMW y SAFT) son miembros del grupo de partes interesadas de NanoBat y han colaborado en investigaciones y publicaciones. Exigen precisión y fiabilidad en los datos y un análisis de incertidumbre de alto nivel; todos ellos aspectos que la comunidad de NanoBat ha resuelto a la perfección», señala Kienberger. El socio Pleione Energy (Grecia) ofrece ahora un servicio de línea piloto para baterías de VE y el socio Poland ha presentado una plataforma web abierta para la caracterización no destructiva de materiales y, en ambos casos, se integran los resultados de NanoBat. El Instituto Federal Suizo de Metrología ofrece el nuevo método de microscopía de sonda de barrido de NanoBat en su cartera de servicios. La enorme participación en LinkedIn (hasta diez mil visitas por publicación) confirma que NanoBat ha unido a diversos centros de investigación como universidades, pequeñas empresas y grandes agentes europeos en la electrificación de coches y vehículos, lo cual sirve de apoyo al Pacto Verde Europeo y a las estrategias de neutralidad en carbono.
Palabras clave
NanoBat, VE, batería de VE, celda de batería, vehículo eléctrico, SEI, interfase de electrolito sólido, EIE, espectroscopia de impedancia electroquímica, microscopía de sonda de barrido
