Hoy viendo las noticias o navegando por la web observas estos días sin ver algo relacionado con las baterías. Esto no es sorprendente pues escuchamos sobre "el impulso a la electrificación" para combatir el cambio climático se ha acelerado rápidamente y lo confirmamos pues mirando a nuestro alrededor podemos ver que 2 de cada 10 autos a la vista son completamente eléctricos sin siquiera considerar los híbridos.
Se trata de un gran cambio con respecto a hace unos años, cuando la mayoría de la gente creía que “los coches eléctricos nunca funcionarán”. En el centro de toda esta electrificación, ya se trate de automóviles, aparatos electrónicos personales, almacenamiento en red o vehículos de transporte más grandes, están las baterías. Dentro de todas esas baterías hay una serie de desafíos de química y ciencia de materiales que deben superarse si queremos alcanzar esos objetivos de electrificación.
Esos objetivos son algo con lo que simplemente hay que mantenerse al día. Necesitamos duplicar la cantidad de energía que se puede almacenar por kg y cuadriplicar la densidad de potencia; esencialmente, lo fácil que es introducir y sacar esa carga de la batería.
Después de habernos preguntado acerca de las baterías por un tiempo, no fue hasta que se lanzo el X-Pulse, con su capacidad de caracterizar cualquier núcleo activo de RMN en septiembre de 2019, que realmente comenzamos a explorar este espacio. Resulta que los electrolitos son sistemas químicos perfectos para caracterizarse exhaustivamente con un espectrómetro de RMN de mesa de banda ancha. Si tomamos un electrolito comercial típico LP30 (LiPF 6 1 M en carbonato de etileno (EC)/carbonato de dimetilo (DMC)) podemos analizar 5 núcleos activos de RMN en una sola muestra. 1 H y 13 C le brindan información sobre la combinación de solventes EC/DMC, 19 F y 31 P le permiten caracterizar con precisión su anión [PF 6 ] − y, obviamente, 7 Li le brinda información sobre sus cationes de litio.
Eso es incluso antes de entrar en los electrolitos más esotéricos o de desarrollo que también pueden contener boro o sodio; nuevamente, ambos elementos tienen núcleos activos de RMN que son fáciles de analizar. Lo que fue increíble para mí fue la cantidad de información que proporciona el análisis de estos espectros sobre su electrolito.
Medir las proporciones de los diferentes picos en 1 H le indicará si tiene la mezcla de solvente adecuada; esencialmente, ¿tiene LP30, LP40 o LP71 o si sus aditivos personalizados (generalmente carbonato de vinileno) están en las cantidades apropiadas? El espectro de RMN de 19 F resulta ser el espectro de RMN más útil para el análisis de electrolitos de baterías de litio de la generación actual.
Me sorprendió la primera vez que un espectro de 30 segundos nos dijo el mecanismo exacto de falla de un electrolito, además de informarnos sobre la ruta de descomposición. Anteriormente, este tipo de análisis habría requerido horas de análisis con LC-MS. Finalmente, se llega al espectro de 7 Li y, si bien es excelente para decirnos cuánto litio hay en nuestra solución, el poder real proviene de medir la difusión de estos iones. }
Con este análisis se observaron los primeros resultados que mostraban que podemos cuantificar con bastante facilidad, en 15 minutos, los coeficientes de difusión de los cationes de litio, así como de los aniones [PF 6 ] − . A su vez, esto permitió calcular los valores de conductividad iónica y transferencia de cationes. Este es un gran paso adelante: la RMN de sobremesa no solo es una gran herramienta para el control de calidad y el análisis de fallas de electrolitos, sino que ahora también se puede utilizar como una herramienta de desarrollo activo en el laboratorio.
¿Cuáles son las perspectivas para la RMN de sobremesa en el espacio de las baterías?
Desde aquellos primeros días, hemos visto muchos tipos diferentes de electrolitos y seguimos viendo nuevas “recetas” con mucha regularidad. Hasta la fecha no hemos encontrado ningún electrolito que hayamos podido analizar hasta cierto punto, ya sea un cóctel de polímeros líquidos, electrolitos de conducción de iones individuales o líquidos iónicos.
Me parece que todavía estamos apenas rozando la superficie de lo que es posible, y la técnica seguirá desarrollándose junto con toda la industria de las baterías, que se encuentra en su relativa juventud.
Porque sabemos que tu puedes cambiar al mundo, en Analitek...
Tu éxito es nuestra pasión