Por Julian Renpenning
El creciente interés internacional por la movilidad eléctrica y el almacenamiento de energía ha impulsado la necesidad de capacidades de prueba analítica y control de calidad a lo largo de la cadena de valor de las baterías: desde la extracción y el procesamiento de materias primas, pasando por el aseguramiento de la calidad en la línea de producción, hasta la recuperación de materiales durante el reciclaje, así como en el apoyo a la investigación y desarrollo de baterías de próxima generación.
A medida que las baterías de ion-litio juegan un papel cada vez más crucial en todo, desde dispositivos
electrónicos portátiles hasta vehículos eléctricos, los laboratorios analíticos deberán acelerar los tiempos de respuesta y generación de información para lograr avances y cumplir con los objetivos de sostenibilidad. Existen múltiples métodos de prueba descritos en la literatura científica y otras fuentes para evaluar el rendimiento y la seguridad de las baterías, pero no siempre ofrecen los resultados más precisos ni el flujo de trabajo analítico más eficiente.
En esta publicación, destacamos una técnica clave de análisis elemental que respalda las pruebas de baterías y fortalece las capacidades de los laboratorios.
¿Dónde se requiere el análisis elemental de materiales para baterías?
El análisis elemental de los materiales de las baterías —incluyendo el cátodo (diferentes tipos y composiciones), el ánodo (generalmente grafito de alta pureza), la mezcla electrolítica (sales, solventes y aditivos), entre otros compuestos— es esencial para garantizar la calidad general de la producción. Actualmente, el material activo del cátodo (CAM, por sus siglas en inglés) suele ser el componente más costoso de una batería y, por ello, requiere un análisis preciso de su composición. Pero ¿qué elementos están presentes típicamente en un cátodo?
Las celdas de litio reciben su nombre según la composición química del material catódico. Los materiales de cátodo más comunes en baterías para vehículos eléctricos son el óxido de níquel-cobalto-aluminio (Li(NiCoAl)O₂, NCA), el óxido de níquel-manganeso-cobalto (Li(NiMnCo)O₂, NMC) y el fosfato de hierro y litio (LiFePO₄, LFP). Sin embargo, actualmente se están desarrollando baterías de próxima generación que podrían reemplazar parcialmente a las tecnologías actuales.
Verificar la composición elemental del material activo del cátodo es fundamental tanto para el proceso de producción como para el control de calidad del material terminado. Por lo tanto, la composición del CAM debe medirse con alta precisión. Aquí es donde las técnicas de análisis multielemental simultáneo, como la tecnología de plasma acoplado inductivamente (ICP), permiten a los laboratorios y fabricantes medir el contenido elemental de materias primas y componentes de baterías a lo largo de toda la cadena de suministro. Para asegurar resultados confiables y optimizar los procesos, los laboratorios pueden adoptar soluciones como los Sistemas de Gestión de Información de Laboratorio (LIMS).
¿Qué es la tecnología de plasma acoplado inductivamente (ICP)?
El ICP es una técnica analítica utilizada para medir e identificar elementos dentro de una matriz de muestra, basada en la detección de elementos presentes en un plasma de argón (Ar). El análisis por ICP requiere soluciones líquidas, por lo que las muestras a menudo se digieren previamente. Durante el análisis, se utiliza un gas portador de argón para aerosolizar la muestra y llevarla a la antorcha de plasma. El plasma caliente provoca la desolvatación, atomización e ionización de la muestra. Luego, las longitudes de onda emitidas o la masa atómica pueden ser detectadas y cuantificadas.
Con la tecnología ICP, es posible analizar la mayoría de los elementos de la tabla periódica. La detección puede realizarse mediante espectroscopía óptica (basada en las longitudes de onda emitidas) o mediante espectrometría de masas (basada en los iones y su relación masa/carga). Sin embargo, los límites de detección de la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) pueden alcanzar niveles de partes por billón (ppt), mientras que para la espectroscopía de emisión óptica (ICP-OES) el límite inferior suele estar en el rango de partes por mil millones (ppb).
Aplicaciones para el análisis y prueba de materiales de baterías usando ICP-OES
Nota de aplicación: Determinación sensible de elementos en baterías de litio usando Thermo Scientific iCAP PRO XP ICP-OES
En las baterías de ion-litio, la proporción y el contenido de elementos principales como níquel, cobalto y
manganeso en el material catódico ternario pueden afectar significativamente el rendimiento y costo de la batería. La presencia de impurezas también impacta la seguridad. Por ello, la determinación precisa de estos elementos principales y de impurezas traza resulta crucial. Esta nota de aplicación presenta el uso del sistema Thermo Scientific™ iCAP PRO XP ICP-OES para desarrollar un método rápido de detección de elementos mayores y trazas en materiales catódicos ternarios utilizados en baterías de litio.
El electrolito desempeña un papel clave en el rendimiento de carga y descarga de la batería, por lo que debe controlarse ante posibles impurezas. También es una muestra ideal para investigar los procesos de degradación, ya que puede acumular productos de descomposición de todos los componentes de la batería. Al final de su vida útil, todos los componentes deben ser analizados para evitar riesgos ambientales y proteger al personal durante el desensamblado. Este estudio demostró el desempeño del sistema Thermo Scientific™ iCAP PRO XP ICP-OES Duo para el análisis sensible y preciso de impurezas en soluciones electrolíticas que contienen LiPF6 y carbonatos orgánicos como carbonato de etilo y carbonato de etilmetilo.
El LFP es un material de cátodo ideal por su alta capacidad de descarga, baja toxicidad y costo reducido. Sin embargo, su pureza es crítica. Cambios en la síntesis y procesamiento de materias primas pueden introducir impurezas que afectan la vida útil y la capacidad de almacenamiento de la batería, e incluso comprometer su estructura cristalina. Esta nota demuestra la eficacia del instrumento Thermo Scientific iCAP PRO ICP-OES para el análisis de 23 elementos traza con alta sensibilidad y precisión en materiales LFP.
El litio utilizado en la fabricación de baterías para vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos proviene de salmueras subterráneas y minerales ricos en litio. Aunque las salmueras pueden ser una fuente rica y accesible, es importante considerar el impacto ambiental de su explotación. En este estudio, se utilizó el instrumento Thermo Scientific™ iCAP PRO X ICP-OES Duo con una antorcha cerámica D-torch para analizar 12 elementos en muestras de roca digeridas con contenido comercial de litio. Los resultados demostraron que el análisis puede realizarse de forma sencilla, con alta precisión y robustez analítica.
Recursos adicionales
- Página web: Análisis químico para la fabricación de baterías
- Folleto: Soluciones para baterías – Tecnologías analíticas que ayudan a construir mejores baterías
- Website: Tecnología avanzada en baterías con herramientas e instrumentos Thermo Scientific
- Website: Soluciones de análisis elemental para pruebas de materiales de baterías
- Webinars: PowerUp – Soluciones para el análisis y prueba de baterías de ion-litio
- Webinars: Introducción a la espectrometría ICP
Deja un comentario