Instrumentos analíticos para caracterizar las propiedades físicas de los materiales de las baterías
La investigación, el desarrollo y la utilización de baterías de iones de litio es uno de los segmentos industriales de más rápido crecimiento en el mundo. Numerosos productos, incluidos marcapasos, drones, automóviles y ahora incluso aviones, dependen de las baterías para obtener energía. Garantizar que las baterías sean seguras, potentes y confiables es más crítico que nunca.
Sin embargo, la seguridad, el rendimiento y la vida útil de una batería solo serán tan buenos como los materiales que intervienen en su fabricación. Específicamente, los electrodos, el separador y el electrolito deben caracterizarse y monitorearse completamente desde el momento en que ingresan a la instalación de producción hasta que se incorporan al producto final.
Los parámetros que deben medirse incluyen: área de superficie del electrodo, estructura cristalina, tamaño de partícula y cristalita, tamaño de poro, flujo de lodo de electrodo y propiedades de curado, tamaño de poro separador y propiedades de estructura, viscosidad del electrolito, densidad y punto de inflamación.
Material sólido del electrodo
Los electrodos (cátodos y ánodos) de las baterías de iones de litio desempeñan un papel clave en la transferencia de iones y, por lo tanto, son cruciales para una transferencia de energía eficiente. Estos electrodos consisten en materiales particulados compactados. Tanto la composición química como las características físicas de estos materiales influirán críticamente en el rendimiento, el ciclo de vida y la seguridad de la batería, lo que a su vez guiará la optimización del diseño de la batería para su uso previsto.
Las propiedades físicas del material del electrodo, como el área de superficie, el tamaño de partícula, el tamaño y la forma de cristalita y el tamaño de los poros, tienen un efecto directo en el intercambio de carga dentro de una sola celda. Otros atributos físicos, como la estructura cristalina, las densidades sólidas y esqueléticas, y el potencial zeta de las partículas de material del electrodo, juegan un papel clave en la conductividad interna de la batería. Y la durabilidad de la batería se correlacionará no solo con la calidad del recubrimiento del electrodo, sino también con su adhesión al electrodo en sí. Esto se puede evaluar con precisión a través de pruebas de rasguño cuantificables.
Otro paso clave en el desarrollo de materiales de electrodos es probar la contaminación por metales pesados. La digestión ácida es el paso inicial de preparación de la muestra para el análisis de metales pesados.
Con métodos como XRD o SAXS, también es posible caracterizar las propiedades de los materiales de los electrodos en operación en conjuntos completos de baterías para monitorear los cambios durante el proceso de carga y descarga.
Lodos de electrodos
El diseño y desarrollo adecuados de los procesos de mezcla y recubrimiento del ánodo y la suspensión del cátodo es una parte esencial del rendimiento de la batería. Conocer parámetros como la densidad, la viscosidad, la viscoelasticidad y el comportamiento tixotrópico de la suspensión proporciona información para determinar y controlar la composición y la consistencia. Durante la mezcla, la agitación innecesaria se puede evitar determinando el tiempo, la velocidad y la temperatura necesarios para alcanzar la homogeneidad. Cuando se trata de elegir una bomba adecuada o ajustar la formulación para una mejor capacidad de bombeo, se deben investigar las viscosidades dependientes de la velocidad de cizallamiento y el punto de elasticidad. Se puede monitorear una buena nivelación de la superficie durante el proceso de recubrimiento midiendo la recuperación estructural.
Los purines que se están almacenando no deben sedimentarse y deben mantener su homogeneidad, que se adquiere a través de pruebas de viscoelasticidad y mediciones de potencial zeta. Además, el área de superficie de las partículas de lodo está directamente relacionada con su formulación y comportamiento, y conocer este parámetro ayuda a reducir los costos de material y garantizar una calidad constante.
Separadores y colectores de corriente
El separador en una batería de iones de litio es una membrana porosa delgada que desempeña un papel clave en la función de la batería al evitar un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo y, al mismo tiempo, permite el flujo de iones entre ellos. Los separadores deben ser mecánicamente robustos, estables en condiciones de batería activa e inertes a otros materiales de celdas, pero aún así ser lo suficientemente porosos como para permitir el transporte de iones.
El tamaño del poro pasante del separador es un parámetro clave para garantizar un rendimiento óptimo de la batería. Los poros deben ser lo suficientemente pequeños como para evitar que las dendritas se formen a través del separador y causen un cortocircuito, pero lo suficientemente grandes como para facilitar el flujo de iones entre el cátodo y el ánodo. Además, los poros más grandes o los orificios de los pines deben ser examinados y prevenidos porque pueden provocar cortocircuitos.
Otro parámetro clave para los separadores es su resistencia mecánica y propiedades estructurales. Específicamente, medir cuánta pretensión del separador se requiere es clave para evitar la ruptura o el desgarro durante el ensamblaje, así como la flacidez después del ensamblaje.
Electrólitos
El electrolito en las baterías de iones de litio juega un papel clave en la función de la batería al permitir la transferencia de carga entre el ánodo y el cátodo. El electrolito también estabiliza las superficies del cátodo y el ánodo y extiende la vida útil de la batería. Caracterizar a fondo las propiedades físicas del electrolito, específicamente la densidad y la viscosidad, es crucial para garantizar la conductividad, la humectación adecuada y el llenado.
La viscosidad de una solución de electrolito juega un papel crítico en la potencia de salida de la batería, así como en la optimización del proceso de llenado en la batería. La calidad del disolvente electrolítico, así como la disolución y concentración de sal, también son factores clave en el rendimiento de la batería. Las mediciones de densidad e índice de refracción de una solución de electrolito son un método de control de calidad rápido y preciso para garantizar la calidad adecuada del disolvente, así como la disolución y concentración de sal.
Otro aspecto crítico de los electrolitos de iones de litio es su punto de inflamación; medir con precisión este parámetro es clave para garantizar la seguridad térmica de las baterías.
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