El blog sobre Datos de una década revelan fallas en los modelos de envejecimiento de baterías de iones de litio

Las baterías modernas de iones de litio, las potencias detrás de los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento en red, se enfrentan a un adversario invisible durante sus vidas predominantemente inactivas. Si bien estas baterías pasan aproximadamente el 90% de su existencia almacenadas, como en vehículos eléctricos estacionados, continúan degradándose a través de un proceso llamado envejecimiento por calendario, donde las reacciones parasitarias reducen gradualmente la capacidad y aumentan la resistencia.

Comprender el envejecimiento por calendario presenta un desafío temporal único: se necesitan años para recopilar datos significativos de degradación a temperatura ambiente. Los científicos suelen evitar esto recopilando datos a temperaturas extremas durante períodos más cortos y luego extrapolando a través de modelos de envejecimiento acelerado. Estos modelos tradicionalmente se basan en dos principios fundamentales: la dependencia temporal de t ^0.5 (que refleja el crecimiento limitado por difusión de la capa de interfaz del electrolito sólido) y la dependencia de la temperatura de tipo Arrhenius.

Si bien numerosos estudios inicialmente respaldaron estos modelos tradicionales en varias químicas de baterías, incluidos los ánodos de grafito combinados con cátodos de níquel-manganeso-cobalto (NMC) o fosfato de hierro y litio (LFP), la investigación emergente revela desviaciones significativas. Algunas baterías demuestran dependencias temporales de ley de potencia alternativas (t ^b ), mientras que otras mantienen el comportamiento de temperatura de Arrhenius pero abandonan la relación t ^0.5 . Estas discrepancias sugieren mecanismos de degradación más complejos en juego, que potencialmente involucran el crecimiento de la interfaz del electrolito del cátodo, la disolución del metal de transición o la corrosión del colector de corriente de cobre.

La mayoría de los estudios de envejecimiento por calendario abarcan de meses a cinco años, pero las baterías del mundo real requieren un rendimiento de una década. Estudios recientes de duración extendida revelan información crítica:

• Los efectos pasivos de voladizo del ánodo disminuyen después de un año, dando paso a las tendencias de envejecimiento lineal
• Los exponentes de la ley de potencia cambian drásticamente con el tiempo, de manera similar a los "puntos de inflexión" observados en el envejecimiento cíclico
• Las desviaciones de Arrhenius solo surgen en escalas de tiempo más largas

Estos hallazgos sugieren que los modelos validados con datos a corto plazo pueden representar erróneamente la degradación a largo plazo.

Un estudio innovador que analiza 232 baterías de ocho tipos, cuatro químicas y cinco fabricantes durante 13 años revela varias conclusiones que cambian el paradigma:

• La dependencia de la temperatura varía inesperadamente: Se producen desviaciones significativas de Arrhenius incluso entre baterías similares del mismo fabricante, lo que podría causar años de error de predicción para el envejecimiento a temperatura ambiente.
• La dependencia del tiempo evoluciona: La relación idealizada t ^0.5 da paso a valores menos autoprotectores, con una variación sustancial entre las químicas.
• Vías de degradación divergentes: La capacidad y la pérdida de potencia siguen trayectorias distintas y no correlacionadas.
• La individualidad importa: La variación de celda a celda representa diferencias sustanciales de degradación, lo que enfatiza la necesidad de análisis de celda única junto con las tendencias de la población.

Estos hallazgos requieren una reevaluación fundamental de los modelos de envejecimiento de las baterías y las estrategias de gestión. Las futuras direcciones de investigación deberían priorizar:

• Desarrollar modelos de envejecimiento de próxima generación que incorporen múltiples mecanismos de degradación y aprendizaje automático
• Optimizar los sistemas de gestión de baterías basados en una comprensión refinada del envejecimiento por calendario
• Mejorar la consistencia de la fabricación para reducir la variación de celda a celda
• Explorar nuevos materiales y diseños con mayor longevidad

A medida que el mundo hace la transición hacia la electrificación y el almacenamiento de energía renovable, predecir y mitigar con precisión el envejecimiento de las baterías se vuelve cada vez más crucial. Esta investigación proporciona la base para desarrollar soluciones de almacenamiento de energía más duraderas y confiables para impulsar nuestro futuro sostenible.