Impulsados por el poder

El mundo se mueve por energía: ¡energía eléctrica! Las baterías son elementos esenciales que impulsan nuestra vida cotidiana, desde los teléfonos móviles y los vehículos eléctricos hasta el almacenamiento de energía en la red. Y la innovación es el motor de la industria de las baterías: investigadores y fabricantes desarrollan nuevos materiales más eficaces, seguros y baratos.

En los últimos 10 años, se ha producido un cambio significativo hacia opciones de transporte más respetuosas con el medio ambiente, y los gobiernos de todo el mundo han introducido políticas e incentivos para promover el uso de energía alimentada por baterías. Como resultado, existe una demanda sin precedentes de baterías que sean más eficientes y rentables. La división TA Instruments de Waters colabora con sus clientes para ayudarles a desarrollar materiales novedosos y optimizar los procesos de fabricación de baterías en aras de la eficiencia y la sostenibilidad.

Potencia tu mundo

Las baterías de iones de litio alimentan la mayoría de los vehículos eléctricos del mundo. Los fabricantes de baterías para VE emplean toda nuestra tecnología (análisis térmico, reología y microcalorimetría) para garantizar que sus baterías sean seguras, eficientes, duraderas y puedan reciclarse adecuadamente. Desde un análisis exhaustivo de los materiales de las baterías de iones de litio para ayudar a los fabricantes de baterías a seleccionar los componentes adecuados hasta el cribado de las químicas de las baterías, hemos trabajado con tres de los cinco principales fabricantes de vehículos eléctricos para aumentar el rendimiento, reducir los costes y garantizar la seguridad permanente de las baterías de iones de litio.

Una batería de iones de litio es un sistema complejo con múltiples materiales que actúan conjuntamente para generar procesos electroquímicos precisos. Una batería funcional requiere:

• Un cátodo y un ánodo para facilitar el intercambio reversible de iones.
• Electrolitos para servir de medio conductor.
• Un separador para evitar cortocircuitos internos.

A medida que la cadena de valor de las baterías para vehículos eléctricos se hace más compleja y se integra verticalmente, nuestras tecnologías seguirán resolviendo necesidades clave de investigación y ensayo para este sector en rápido crecimiento.

La ciencia detrás de la carga de una batería

Comprender cómo interactúan física y químicamente los materiales internos durante el funcionamiento de una batería es fundamental para determinar su rendimiento a largo plazo.

El calor generado cuando la batería se carga (por ejemplo, cuando un VE está enchufado a su estación de carga) y se descarga (por ejemplo, cuando un VE circula por la carretera) está asociado a las reacciones electroquímicas de la celda de la batería. Es crucial diferenciar entre el calor generado por las reacciones electroquímicas de almacenamiento de energía de la batería y las reacciones secundarias parasitarias que causan pérdida de capacidad y mayor generación de calor residual. Esto medirá la eficiencia de la química de la célula (cuánta de la energía almacenada se pierde por reacciones secundarias) y lo rápido que se degradará la célula con un funcionamiento continuado.

La solución de microcalorímetro Battery Cycler de TA Instruments es una técnica no destructiva que permite a los investigadores realizar mediciones in situ de alta resolución del flujo de calor durante los ciclos electroquímicos. Utilizando un microcalorímetro TAM IV y el software TAM Assistant integrado con un potenciostato BioLogic VSP-300, esta plataforma puede ofrecer una detección precisa y rápida de reacciones parásitas, que pueden utilizarse para analizar nuevas formulaciones de baterías o identificar células defectuosas.

Garantizar la seguridad de los componentes críticos de una batería

Mejorar la seguridad es otro aspecto del desarrollo de las baterías. Las reacciones exotérmicas que hacen que la temperatura de funcionamiento de la batería aumente de forma impredecible pueden provocar un desbordamiento térmico, es decir, un autocalentamiento incontrolable que suele desembocar en un incendio.

El análisis térmico, incluidos el análisis termogravimétrico (TGA) y la calorimetría diferencial de barrido (DSC), son técnicas esenciales utilizadas para determinar la estabilidad térmica, incluido el inicio de una reacción exotérmica y el calor de las reacciones de los materiales de las baterías. El inicio y la cantidad de calor liberado durante la reacción exotérmica pueden ayudar a un ingeniero de baterías a diseñar sistemas de gestión térmica y a realizar una evaluación de la seguridad de los materiales del cátodo y el ánodo en diferentes estados de carga.

El separador de la batería es uno de los componentes más importantes para garantizar su seguridad.

• Un separador es una membrana polimérica porosa o conductora de iones que impide el contacto físico entre el cátodo y el ánodo al tiempo que permite el transporte de iones.
• Se pueden utilizar múltiples técnicas para llevar a cabo el análisis térmico de un separador de batería con el fin de garantizar que poseen la estabilidad térmica y mecánica necesaria para evitar un cortocircuito interno.
• Los analizadores mecánicos dinámicos (DMA ) pueden utilizarse para medir las propiedades mecánicas y garantizar la estabilidad mecánica a altas temperaturas.

Las propiedades mecánicas también son importantes para los compuestos de alta resistencia, que suelen utilizarse en carcasas de baterías y materiales para módulos y paquetes. Además del módulo y la resistencia, los ensayos de fatiga mecánica son fundamentales para evaluar la vida a la fatiga (ciclo mecánico hasta el fallo) y ayudan a los investigadores a desarrollar materiales de alta durabilidad.

Optimización de las pilas para ahorrar dinero

La fabricación de electrodos representa entre el 20 y el 40% del coste total de la batería. Consiste en mezclar materiales activos, aglutinante y aditivo conductor en una lechada (un disolvente orgánico de los materiales mezclados) y, a continuación, recubrir y secar sobre el colector de corriente. La cuantificación del material entrante y la caracterización de la lechada ayudan a ahorrar tiempo y costes de fabricación. La reología es una de las mejores técnicas para evaluar las materias primas, la estabilidad de la lechada y la procesabilidad a la hora de optimizar el proceso de fabricación de electrodos. La evaluación reológica de los lodos de baterías revela el cambio de características bajo tensión o fuerza aplicada.

Qué hay en el horizonte del desarrollo de baterías

El procesamiento de electrodos secos de batería (DBE) y las baterías de estado sólido son los siguientes en el frente de desarrollo de la industria de baterías para reducir costes, aumentar la densidad energética y mejorar la seguridad.

Los retos que plantea el procesamiento de polvos en películas finas exigen comprender los mecanismos adhesivos, la mezcla en seco y los procesos de escalado. La solución Powder Rheology de Waters-TA mide las propiedades cohesivas, el límite elástico, la fluidez y la compresibilidad del polvo, lo que proporciona información sobre el procesamiento del polvo que puede contribuir a la eficiencia general de la fabricación y a la reducción de residuos.

Las mejoras en la química y la fabricación seguirán acelerando la tecnología de las baterías. Creemos que la demanda de ingredientes más duraderos, seguros y baratos para las pilas seguirá creciendo; seguiremos apoyando la innovación y ayudando a lanzar nuevos productos al mercado con mayor rapidez. Los mayores avances pueden estar a la vuelta de la esquina, y nosotros estaremos ahí para impulsar la ciencia.

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Referencias

• Solución para microcalorímetro Battery Cycler - TA Instruments
• Determinación de la potencia parásita en baterías de iones de litio utilizando la solución microcalorimétrica Battery Cycler - TA Instruments
• Determinación del impacto de los aditivos electrolíticos en las baterías de iones de litio mediante microcalorimetría isotérmica - TA Instruments
• Visión general de la microcalorimetría isotérmica en I+D y control de calidad de baterías - TA Instruments
• Evaluación de la seguridad de los materiales de cátodos y ánodos de baterías de iones de litio mediante calorimetría diferencial de barrido - TA Instruments
• Análisis térmico de la película separadora de la batería - TA Instruments
• Desarrollo de películas separadoras de baterías: Impacto del revestimiento - TA Instruments
• Hawley, W. B., Li, J. Fabricación de electrodos para baterías de iones de litio-Análisis del procesamiento actual y de la próxima generación. Revista de almacenamiento de energía 25 (2019) 100862
• Evaluación reológica de lodos de baterías con diferentes tamaños y formas de partículas de grafito - TA Instruments
• Estabilidad en función del tiempo de lechadas acuosas para ánodos con aglutinante bioderivado mediante métodos reológicos - TA Instruments
• Science Direct