Oscilaciones periódicas de tensión permiten ‘ver’ el interior de las baterías de litio

Modelo matemático desarrollado por investigadores de la Universidad Estatal de Campinas revela que pequeñas fluctuaciones en la diferencia de potencial eléctrico pueden funcionar como una herramienta para caracterizar la microestructura de los electrodos y monitorear la degradación de las baterías

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Monitorear la vida útil de una batería de iones de litio sin necesidad de desmontarla. Esta es la perspectiva que abre un estudio publicado en mayo en la revista Cell Reports Physical Science por investigadores de la Universidad Estatal de Campinas (Unicamp), en el estado de São Paulo, Brasil, y colaboradores. Al crear un modelo computacional avanzado para investigar estas fuentes de energía, los científicos descubrieron que las oscilaciones naturales de tensión funcionan como una especie de “rayos X” del sistema, revelando la forma microscópica de sus materiales y la velocidad de las reacciones químicas que ocurren en su interior. El hallazgo abre el camino para desarrollar métodos de diagnóstico rápidos y de bajo costo en el área del almacenamiento de energía.

Las baterías de iones de litio están presentes en una enorme variedad de equipos, desde pequeños dispositivos electrónicos, como teléfonos celulares, computadoras portátiles, cámaras y herramientas portátiles, hasta vehículos eléctricos. A una escala aún mayor, se utilizan en sistemas estacionarios de almacenamiento de energía, incluso para almacenar electricidad producida por fuentes intermitentes, como la solar y la eólica, ayudando a equilibrar la oferta y la demanda en las redes eléctricas.

Financiado por la FAPESP mediante tres proyectos (20/12632-5, 23/08663-0 y 24/03807-7), el trabajo fue coordinado por Raphael Nagao, profesor del Instituto de Química (IQ) de la Unicamp. El primer autor es el doctorando Eduardo Parma, dirigido por Nagao.

“Las oscilaciones revelan características de la nanoestructura de los electrodos y de la velocidad con la que los iones de litio se desplazan de un electrodo a otro. Esta relación podrá servir de base para métodos sencillos y económicos de monitoreo del envejecimiento y del estado de salud de las baterías”, afirma Parma. “El objetivo es aprovechar este comportamiento espontáneo para extraer información que normalmente es muy difícil de obtener”, añade Nagao.

El investigador destaca que este comportamiento oscilatorio es conocido en muchos sistemas naturales. Los latidos del corazón, por ejemplo, también corresponden a una variación periódica de la tensión eléctrica, registrada mediante el electrocardiograma. En las baterías, el fenómeno se observó inicialmente en 2018. Pero hasta ahora nadie había explicado cómo ocurre el proceso. “Eduardo tradujo este comportamiento oscilatorio en ecuaciones matemáticas. Al resolver las ecuaciones, logró reproducir en las simulaciones el mismo comportamiento observado experimentalmente”, cuenta Nagao.

Lo que ocurre dentro del electrodo

Para entender el proceso, es preciso recordar que los electrodos no son bloques sólidos, como muchas veces se imagina, sino estructuras porosas bastante complejas. “Podemos imaginarlos como una especie de espuma formada por miles de millones de pequeñas partículas sólidas, separadas por poros llenos de un electrolito líquido. Las partículas corresponden al material activo de la batería, mientras que el electrolito funciona como una red de caminos por los que los iones de litio se desplazan hasta alcanzar la superficie de cada partícula”, describe Parma.

Los iones ingresan en las partículas mediante un proceso denominado intercalación, alojándose en posiciones disponibles de la estructura. Y aquí surge la información que explica el comportamiento oscilatorio: la carga no se distribuye uniformemente por todo el conjunto de partículas, sino que se acopla a un subconjunto a la vez. Estos grupos pasan casi simultáneamente de un estado de baja carga a otro de alta carga. Y cada transición produce un pico en la tensión eléctrica de la batería. La sucesión de estas transiciones genera el comportamiento oscilatorio observado experimentalmente.

“Un electrodo típico contiene alrededor de 10 mil millones de partículas. Durante cada oscilación, aproximadamente el 1 % de ellas –unos 100 millones– pasa casi simultáneamente de un estado de baja carga a otro de alta carga, produciendo el pequeño salto de tensión observado experimentalmente”, calcula Parma.

El estudio se centró en electrodos de titanato de litio (Li₄Ti₅O₁₂, o LTO), un material conocido por su elevada estabilidad estructural y considerado prometedor para aplicaciones que requieren altas corrientes. Las simulaciones mostraron que las partículas no incorporan litio todas al mismo tiempo. En cambio, atraviesan esta transición en grupos, que pasan casi simultáneamente de un estado menos litiado a otro más litiado, produciendo las oscilaciones de tensión.

Para reproducir este mecanismo, los investigadores utilizaron una técnica conocida como modelado por campo de fase (phase-field). En lugar de representar cada partícula de forma simplificada, como hacen los modelos tradicionales basados en la aproximación pseudobidimensional (P2D), el nuevo método resuelve directamente las ecuaciones que describen cómo evoluciona la concentración de litio en el interior de las partículas, utilizando mallas computacionales multidimensionales. Según los autores, este enfoque supera importantes limitaciones de los modelos anteriores y reproduce correctamente los mecanismos físicos responsables de las oscilaciones observadas experimentalmente.

Información oculta en la tensión

La principal contribución del trabajo fue demostrar que las características de las oscilaciones contienen información cuantitativa sobre propiedades fundamentales de la batería.

Las simulaciones mostraron, por ejemplo, que la distribución de los tamaños de las partículas del electrodo influye directamente en el período de las oscilaciones. Esto significa, a la inversa, que el simple análisis del período de las oscilaciones puede proporcionar información sobre la microestructura del material.

Los investigadores también establecieron una relación entre el período y la amplitud de las oscilaciones y la velocidad con la que los iones de litio entran y salen de las partículas del electrodo durante la reacción de intercalación. Esta velocidad, conocida por los especialistas como “densidad de corriente de intercambio”, es uno de los principales parámetros utilizados para caracterizar la cinética de las reacciones electroquímicas. Según los autores, en el futuro podrá estimarse simplemente mediante el análisis de las oscilaciones de tensión de la batería.

“Actualmente, muchas de estas propiedades solo pueden determinarse utilizando técnicas experimentales sofisticadas, algunas de ellas dependientes de grandes instalaciones científicas, como fuentes de luz sincrotrón. Nuestro modelo indica que parte de esta información podrá obtenerse simplemente analizando las oscilaciones de tensión de la propia batería”, enfatiza Nagao.

Diagnóstico sin desmontar la batería

Los autores destacan que esta posibilidad aún debe validarse experimentalmente, pero representa una perspectiva prometedora. Si se confirma la relación prevista por el modelo, bastará con medir con precisión las pequeñas oscilaciones eléctricas durante el funcionamiento de la batería para estimar características internas del electrodo y monitorear su degradación a lo largo de los ciclos de carga y descarga. Esto podría dar lugar a métodos relativamente económicos para evaluar el estado de salud de las baterías, sin desmontarlas ni recurrir a técnicas avanzadas de caracterización.

Además de explicar un fenómeno que permanecía poco comprendido desde su descubrimiento, el estudio proporciona una nueva herramienta para investigar materiales electroquímicos. Al transformar pequeñas oscilaciones de tensión en indicadores cuantitativos de la estructura y la dinámica interna de los electrodos, el modelo amplía las posibilidades de desarrollo de baterías más eficientes, duraderas y confiables.

El artículo Role of electrode microstructure and kinetics in oscillations in Li-ion batteries revealed by phase-field simulations puede consultarse en: cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(26)00234-1.