Introducción: La búsqueda de baterías de alta densidad energética exige el uso de electrolitos de alta concentración, en particular los electrolitos water-in-salt, por sus perfiles mejorados de conductividad iónica y seguridad frente a electrolitos orgánicos convencionales. No obstante, estos electrolitos suelen provocar degradación acelerada de la interfaz electrolito sólido SEI debido a flujos iónicos excesivos en la interfaz electrodo-electrolito, lo que se traduce en pérdida de estabilidad en el ciclo y caída de capacidad. En este artículo se presenta y adapta al español una propuesta novedosa para mitigar dinámicamente ese flujo iónico, mejorando la estabilidad de la SEI y prolongando la vida útil de baterías con electrolitos de alta concentración, centrándonos en cátodos de litio.

Antecedentes: Investigaciones previas han explorado aditivos para la SEI, ajustes en la composición del electrolito y modificaciones del material de electrodo. Esos enfoques suelen implicar compromisos: los aditivos pueden afectar la conductividad, los cambios de composición pueden degradar el rendimiento electroquímico y las modificaciones de material suelen ser costosas en fabricación. Nuestra propuesta se diferencia al integrar una modificación de superficie reactiva que consume Li+ en exceso junto con un bucle de retroalimentación dinámico que ajusta la reactividad superficial en tiempo real con base en medidas locales de flujo iónico.

Metodología propuesta: Sistema de Mitigación Reactiva del Flujo RFM: El sistema RFM consta de tres componentes clave: un recubrimiento catódico reactivo, un sensor de flujo iónico de alta resolución y un sistema de control en lazo cerrado. Esta combinación permite una mitigación localizada y adaptable del flujo iónico sin sacrificar la conductividad global del electrodo.

Recubrimiento catódico reactivo: La superficie del cátodo se modifica con una capa fina de un material consumidor de litio, concretamente una película de óxido de lantano y níquel LNO, depositada mediante deposición por capas atómicas ALD. LNO reacciona con Li+ formando una capa estable de lanthanum nickelate que secuestra Li+ del electrolito. El proceso ALD se optimiza para controlar el espesor y la estequiometría de la película, parámetros que determinan la tasa de consumo de Li+.

Sensor de flujo iónico: Se integra un sensor microfabricado basado en espectroscopía de impedancia electroquímica EIS directamente en la superficie del cátodo. Las variaciones de impedancia del sensor se correlacionan con la concentración local de Li+ en la interfaz, ofreciendo retroalimentación en tiempo real y alta resolución espacial para el control del flujo iónico.

Sistema de control en lazo cerrado: Un microcontrolador procesa los datos del sensor y ajusta la reactividad superficial del recubrimiento LNO mediante recocido por láser en pulsos. Pulsos breves de láser modifican selectivamente la película LNO, cambiando su estequiometría y por tanto su constante de reacción frente a Li+. La potencia y duración de los pulsos se controlan dinámicamente para mantener un umbral de flujo iónico predefinido y evitar que Li+ en exceso alcance la capa principal de la SEI.

Modelado matemático: El comportamiento global se describe mediante ecuaciones acopladas que relacionan difusión, cinética de reacción y control por láser. La ecuación de flujo iónico J = D dC/d y d representa la dependencia del flujo con el coeficiente de difusión D, el gradiente de concentración y el espesor de la capa de difusión. La cinética de reacción del LNO se modela como Rate = k P(Li+) donde k depende de la estequiometría del LNO y P(Li+) es la variable representativa de la concentración local de Li+. El efecto del recocido láser sobre la reactividad se aproxima por Delta k = a L(t) donde a es un coeficiente de modificación dependiente de la intensidad y duración del láser y L(t) es la función de intensidad en el tiempo. La ley de control en lazo cerrado toma la forma discreta L(t+1) = L(t) + g [J(t) - Jtarget] con g como ganancia de control que determina la agresividad de la respuesta.

Diseño experimental: Se construirán celdas completas con cátodos LiFePO4 LFP recubiertos con distintas espesores de LNO y ánodos de grafito en un electrolito WIS, por ejemplo 3M LiTFSI/H2O. Se evaluará el desempeño en ciclado a corriente constante C/5 durante 500 ciclos, con mediciones periódicas de EIS para monitorizar la formación y evolución de la SEI. El sensor de flujo iónico registrará señales continuas junto a perfiles de voltaje y retención de capacidad. Se incluirán celdas de control sin recubrimiento LNO y sin lazo de control para comparar. También se realizarán pruebas aceleradas a C/2 y 1C para validar la resiliencia frente a condiciones de flujo elevado.

Análisis de datos y validación: Se empleará análisis estadístico ANOVA para comparar el rendimiento de las celdas RFM frente a las de control y análisis de correlación para vincular las lecturas del sensor de flujo con la degradación de capacidad. Se usarán técnicas microscópicas SEM y TEM para caracterizar morfología y composición de la SEI. El modelo matemático se ajustará a los datos experimentales estimando parámetros clave k, a y g para validar las predicciones frente al comportamiento observado.

Escalabilidad y hoja de ruta comercial: A corto plazo 1-3 años se trabajará en procesos ALD escalables para recubrimientos LNO y en técnicas de fabricación de sensores de flujo de alta producción. A medio plazo 3-5 años se optimizará el algoritmo de control en tiempo real, se desarrollarán materiales con mejor cinética de consumo de Li+ y se iniciará la fabricación piloto de módulos con RFM. A largo plazo 5-10 años se prevé la integración del sistema RFM en paquetes de baterías para vehículos eléctricos y almacenamiento a escala de red, junto con BMS autónomos que incorporen la funcionalidad RFM.

Resultados esperados e impacto: Se anticipa una mejora mínima de 2x en vida útil y retención de capacidad frente a celdas LFP en electrolitos WIS sin mitigación, especialmente bajo condiciones de carga rápida. Esta mejora aumenta la viabilidad económica de electrolitos WIS y facilita su adopción en aplicaciones exigentes.

Verificación técnica: La verificación se efectuará demostrando la correspondencia entre las predicciones del modelo y las respuestas experimentales ante perturbaciones en el flujo iónico. El sistema en lazo cerrado deberá mostrar respuestas transitorias que reduzcan picos de flujo y estabilicen la SEI sin pérdidas significativas en la eficiencia iónica global.

Profundidad técnica adicional: La contribución principal es la integración combinatoria de modificación reactiva de superficie con control dinámico. El LNO actúa como reservorio reactivable de litio y ALD garantiza uniformidad; el recocido láser permite activar o desactivar por demanda la capacidad consumidora de Li+. Esta arquitectura supera limitaciones de enfoques estáticos y preserva la conductividad del sistema.

Aplicaciones y servicios complementarios: Más allá del desarrollo experimental, la digitalización del sistema RFM y su BMS requiere software a medida y soluciones de inteligencia artificial para el análisis de señales y la optimización de las reglas de control. En Q2BSTUDIO, empresa especializada en desarrollo de software, aplicaciones a medida, inteligencia artificial y ciberseguridad, ofrecemos servicios que complementan la implementación industrial de tecnologías como RFM. Podemos desarrollar sistemas de control embebidos y plataformas de monitoreo en la nube que integren datos de sensores, modelos de degradación y estrategias de mantenimiento predictivo. Para proyectos que demanden capacidades avanzadas de IA podemos colaborar en la creación de modelos de aprendizaje que optimicen la ganancia de control y anticipen eventos de fallo, conoce más sobre nuestras soluciones de inteligencia artificial aquí servicios de inteligencia artificial para empresas. Además, ofrecemos despliegue y operación en plataformas seguras y escalables, con experiencia en servicios cloud aws y azure que facilitan la telemetría y análisis de grandes volúmenes de datos, vea nuestras opciones de nube en servicios cloud aws y azure.

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Conclusión: La mitigación dinámica del flujo iónico mediante el sistema RFM ofrece una vía prometedora para estabilizar la SEI en electrolitos de alta concentración y habilitar baterías más duraderas y seguras. La combinación de recubrimientos reactivos, sensores EIS integrados y control por recocido láser en lazo cerrado forma una solución adaptable a condiciones operativas variables. Q2BSTUDIO está preparada para acompañar la industrialización de estas soluciones aportando desarrollo de software a medida, inteligencia artificial para optimización y servicios cloud seguros, garantizando así la transición desde la investigación hasta aplicaciones comerciales escalables.