Las baterías son componentes clave en los sistemas modernos de almacenamiento de energía, ampliamente utilizadas en diversos campos, como vehículos eléctricos, dispositivos electrónicos portátiles y almacenamiento de energía a gran escala. Las celdas electrolíticas electroquímicas, como dispositivos que convierten la energía eléctrica en energía química, tienen un impacto significativo en la investigación sobre baterías. Permiten simular los procesos electroquímicos internos de las baterías, estudiar las propiedades de los materiales de los electrodos y explorar nuevos sistemas de baterías, lo cual es fundamental para impulsar el desarrollo de la tecnología de baterías.

1. Principio de funcionamiento de la electroquímica Celdas electrolíticas

Una celda electrolítica electroquímica se compone de dos electrodos (ánodo y cátodo) y una solución electrolítica. Al conectar una fuente de alimentación externa, el ánodo experimenta una reacción de oxidación y el cátodo, una de reducción. Los cationes del electrolito se desplazan hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo, formando una vía interna de conducción iónica, mientras que los electrones fluyen en el circuito externo, completando así el proceso de reacción electroquímica. Por ejemplo, en una celda electrolítica con electrodos inertes que electroliza una solución de cloruro de cobre, en el ánodo, los iones de cloruro se oxidan a cloro gaseoso, y en el cátodo, los iones de cobre se reducen a cobre metálico.

2. Aplicación en el estudio de las reacciones electroquímicas de las baterías

2.1 Análisis de voltametría cíclica

La voltamperometría cíclica es un método común que utiliza celdas electrolíticas para estudiar las reacciones electroquímicas de las baterías. Aplicando un potencial cíclico variable entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo en la celda electrolítica, se mide la respuesta de la corriente. Este método permite determinar el potencial redox de los materiales de los electrodos, estudiar el mecanismo de reacción de los procesos electrolíticos y evaluar la reversibilidad de las reacciones electroquímicas. Por ejemplo, en la investigación de baterías de iones de litio, la voltamperometría cíclica permite analizar los procesos de inserción y extracción de iones de litio de los materiales de los electrodos positivos y negativos, y determinar el rango de potencial óptimo para el funcionamiento de la batería.

2.2 Espectroscopia de impedancia

La espectroscopia de impedancia electroquímica es otra técnica importante. Se aplica una señal de corriente alterna a la celda electrolítica y se mide la impedancia del sistema electroquímico a diferentes frecuencias. Mediante el análisis de impedancia, se puede obtener información sobre la resistencia a la transferencia de carga, la resistencia a la difusión y la capacitancia de doble capa de la interfaz electrodo/electrolito. Esto es de gran ayuda para comprender la resistencia interna de la batería, el proceso de difusión de iones en el material del electrodo y la estabilidad de la película de la interfase sólido-electrolito (ISE). Por ejemplo, en el estudio de baterías de iones de sodio, la espectroscopia de impedancia puede utilizarse para analizar la influencia de diferentes electrolitos en el proceso de transferencia de carga de electrodos de carbono duro.

3. Aplicación en la evaluación de materiales de electrodos

3.1 Detección de materiales de electrodos positivos

Las celdas electrolíticas electroquímicas se utilizan ampliamente en la selección de materiales para electrodos positivos de baterías. Se pueden utilizar diferentes óxidos metálicos, fosfatos, etc., como materiales para electrodos positivos en las pruebas. Al comparar su rendimiento electroquímico en celdas electrolíticas, como la capacidad específica, la estabilidad del ciclo y el rendimiento de la velocidad, se pueden seleccionar excelentes materiales para electrodos positivos. Por ejemplo, en la investigación de baterías de iones de litio, las celdas electrolíticas se utilizan para probar el rendimiento del cobaltato de litio y el óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto. Centro Nacional de Medicina ) y materiales de fosfato de hierro y litio (LFP). Los resultados muestran que el LFP ofrece ventajas como alta seguridad y larga vida útil, mientras que el NMC presenta una mayor densidad energética.

3.2 Investigación sobre materiales de electrodos negativos

Para los materiales de electrodos negativos, las celdas electrolíticas también desempeñan un papel crucial. Tomemos como ejemplo los materiales de electrodos negativos a base de silicio para baterías de iones de litio. Debido a su alta capacidad específica teórica, han atraído mucha atención, pero también enfrentan el problema de la expansión de gran volumen. Mediante experimentos con celdas electrolíticas, se pueden estudiar los procesos de litiación y deslitiación de materiales a base de silicio, y se pueden explorar métodos para mejorar su estabilidad cíclica, como el recubrimiento y la nanoestructuración. Además, en la investigación de materiales de electrodos negativos de carbono duro para baterías de iones de sodio, las celdas electrolíticas se pueden utilizar para estudiar la influencia de diferentes aniones en los electrolitos en el rendimiento electroquímico del carbono duro, con el fin de optimizar la fórmula del electrolito.

3.3 Evaluación de nuevos materiales de electrodos

Con el continuo desarrollo de la tecnología de baterías, surgen constantemente nuevos tipos de materiales para electrodos, como los materiales a base de azufre para baterías de litio-azufre y los materiales orgánicos para electrodos. Las celdas electrolíticas electroquímicas proporcionan una plataforma para evaluar su rendimiento. Mediante la implementación de sistemas de celdas electrolíticas adecuados, es posible evaluar con precisión las propiedades electroquímicas de estos nuevos materiales, incluyendo su capacidad específica, eficiencia coulombiana y rendimiento, lo que facilita su aplicación práctica.

4. Aplicación en la preparación y optimización de baterías

4.1 Proceso de pre-litiación/pre-sodación

En las baterías de iones de litio y de sodio, los procesos de prelitiación y presodación son pasos importantes para mejorar el rendimiento de la batería. Para ello, se pueden utilizar celdas electrolíticas. Por ejemplo, en la prelitiación de electrodos negativos de silicio, se puede utilizar una celda electrolítica para depositar previamente una cierta cantidad de litio sobre la superficie del electrodo de silicio, lo que puede mejorar la eficiencia coulombiana de la batería y aumentar la tasa de retención de capacidad. En un estudio, mediante la prelitiación electrolítica, la tasa de retención de capacidad de celdas completas NMC111||Si en el ciclo 100 aumentó significativamente del 54 % al 78 %.

4.2 Optimización de electrolitos

Las celdas electrolíticas electroquímicas también pueden utilizarse para optimizar los electrolitos. Modificando la composición, la concentración y la aditivación del electrolito, y probando posteriormente el rendimiento electroquímico de la batería en la celda electrolítica, se puede obtener la fórmula electrolítica óptima. Por ejemplo, añadiendo ciertos aditivos al electrolito, se puede mejorar la estabilidad de la película SEI, reducir la resistencia a la transferencia de carga y optimizar el rendimiento del ciclo de la batería.

5. Aplicación en el reciclaje de baterías usadas

5.1 Extracción selectiva de sustancias activas

Con el uso a gran escala de baterías, el problema del tratamiento de baterías usadas se ha vuelto cada vez más importante. Las celdas electrolíticas electroquímicas permiten la extracción selectiva de sustancias activas en baterías usadas. Por ejemplo, inspirados en el proceso de carga de materiales de electrodos positivos de fosfato de hierro y litio, los métodos electroquímicos permiten, en teoría, lograr la extracción selectiva de litio del fosfato de hierro y litio residual. Mediante el diseño de un sistema de celda electrolítica adecuado, los iones de litio presentes en el fosfato de hierro y litio residual pueden extraerse al electrolito mediante la acción de un campo eléctrico y luego recuperarse mediante métodos como la precipitación o el intercambio iónico, logrando así el reciclaje de los recursos de litio.

5.2 Acoplamiento con la producción de hidrógeno

Además de la extracción de sustancias activas, el reciclaje de baterías usadas también puede combinarse con la producción de hidrógeno. Por ejemplo, en un sistema que utiliza ácido fosfomolíbdico como medio redox, al extraer selectivamente litio del fosfato de hierro y litio residual, el agua de la cámara catódica se descompone para producir hidrógeno. Esto no solo permite el reciclaje de baterías usadas, sino que también produce hidrógeno para energía limpia, lo que conlleva importantes beneficios económicos y ambientales.

6. Métodos experimentales y tecnologías clave de celdas electrolíticas electroquímicas en la investigación de baterías

6.1 Diseño y ensamblaje de celdas

Según los diferentes propósitos de investigación, se requieren diseños adecuados de celdas electrolíticas. Los más comunes incluyen celdas de dos y tres electrodos. Las celdas de tres electrodos permiten medir con mayor precisión el potencial y la corriente del electrodo de trabajo mediante la introducción de un electrodo de referencia, lo cual resulta adecuado para la investigación exhaustiva de las reacciones entre electrodos. Durante el ensamblaje de la celda, se debe prestar atención a la selección de electrodos, electrolitos y separadores, así como al control de las condiciones de ensamblaje para garantizar la estabilidad y repetibilidad de los resultados experimentales.

6.2 Selección de electrolitos y electrodos

La selección de electrolitos es crucial para el rendimiento de las celdas electrolíticas. Es necesario considerar factores como la conductividad iónica, la estabilidad química y la compatibilidad con los materiales de los electrodos. Por ejemplo, los electrolitos orgánicos se utilizan comúnmente en baterías de iones de litio, mientras que los electrolitos acuosos pueden emplearse en algunas baterías de iones de sodio o sistemas de baterías acuosas. El material del electrodo debe seleccionarse según el objeto de investigación, y su tamaño de partícula, morfología y porosidad influirán en los resultados experimentales.

6.3 Adquisición y análisis de datos

Durante el funcionamiento de la celda electrolítica, se genera una gran cantidad de datos, como potencial, corriente e impedancia. Para la adquisición de datos, se suelen utilizar estaciones de trabajo electroquímicas profesionales. Tras la adquisición, se requieren métodos de análisis adecuados, como la adaptación de los datos de impedancia a un modelo de circuito equivalente para obtener los parámetros electroquímicos pertinentes y el análisis de curvas de voltametría cíclica para estudiar los mecanismos de reacción.

Las celdas electrolíticas electroquímicas tienen una amplia gama de aplicaciones en la investigación de baterías, abarcando diversos aspectos como el estudio de reacciones electroquímicas, la evaluación de materiales de electrodos, la preparación y optimización de baterías, y el reciclaje de baterías usadas. Mediante el uso de celdas electrolíticas, los investigadores pueden comprender a fondo los mecanismos internos de las baterías, seleccionar materiales de electrodos y electrolitos de alta calidad, optimizar los procesos de preparación de baterías y reciclar baterías usadas. Con el continuo progreso de la tecnología de baterías, el papel de las celdas electrolíticas electroquímicas será cada vez más importante y contribuirá significativamente al desarrollo de sistemas de baterías de alto rendimiento, bajo costo y respetuosos con el medio ambiente. En el futuro, con la mejora continua de los métodos experimentales y el desarrollo de nuevas tecnologías, se espera que las celdas electrolíticas electroquímicas desempeñen un papel más importante en nuevos sistemas de baterías y campos de investigación.