El FT4 Powder Rheometer® es un instrumento versátil que puede utilizarse en procesos de fabricación de electrodos de baterías de iones de litio tanto húmedos como sólidos. El análisis exhaustivo del flujo de polvo que proporciona puede ayudar a mejorar la eficiencia de la batería, optimizar la densidad de empaquetamiento del electrodo, prolongar la vida útil de la batería y, en procesos húmedos, controlar los aglomerados y la dispersabilidad de la lechada.
Esta nota de aplicación describirá cómo se puede utilizar el reómetro de polvos FT4® para desarrollar especificaciones que mejoren el rendimiento de los electrodos para procesos húmedos que utilizan una lechada de material activo.
Determinación de especificaciones sólidas para el polvo
Las baterías de iones de litio (Li-ion) son una tecnología avanzada que desempeñará un papel clave en la tendencia hacia soluciones de electrificación industrial renovables y sostenibles. Su alta densidad energética y de potencia y su largo ciclo de vida han impulsado su adopción, y se espera que sus aplicaciones en automoción, almacenamiento de energía en red y electrónica de consumo impulsen aún más su crecimiento en los próximos años.
La figura 1 muestra un proceso típico de fabricación de baterías de iones de litio. Los materiales activos del ánodo y el cátodo se procesan en una pasta antes de las fases de revestimiento, calandrado y secado. Estas etapas posteriores dependen en gran medida de la calidad de la pasta producida al inicio del proceso.
Las características de los purines dependen del comportamiento de la materia activa, el aglutinante y los disolventes durante el proceso de mezcla. Algunas propiedades clave para garantizar un alto rendimiento son la finura del grano, la viscosidad y el contenido sólido. La dispersión uniforme del contenido sólido (materiales activos) con una aglomeración mínima es fundamental para obtener un producto final de alta calidad.
Esta nota de aplicación demuestra cómo el reómetro de polvos FT4 Powder Rheometer® puede determinar las propiedades clave del material de un electrodo de batería, lo que permite definir especificaciones sólidas del polvo.
Estudio de caso sobre la caracterización del polvo catódico
El LiFePO4 (LFP) es un material catódico muy utilizado en la industria automovilística. Aunque la composición química siga siendo la misma, pequeñas variaciones físicas en las propiedades físicas de los lotes de LFP pueden afectar drásticamente al rendimiento de la fabricación. En este estudio de caso, se descubrió que los suministros de LFP de tres proveedores diferentes se comportaban de forma diferente durante la fabricación, lo que provocaba variaciones en la calidad y el rendimiento. Se analizaron muestras de cada lote utilizando el FT4 Powder Rheometer® para determinar si las propiedades reológicas podían utilizarse para especificar las materias primas óptimas.
Dos propiedades reológicas que pueden influir en el modo en que un polvo se mezcla y dispersa son la energía específica y la permeabilidad.
- La energía específica (SE) cuantifica el grado de entrelazamiento mecánico y fricción entre las partículas. Los valores más bajos suelen asociarse a partículas más regulares y esféricas.
- La permeabilidad describe la capacidad de un polvo para liberar o retener el aire arrastrado. Un valor más alto de caída de presión indica una permeabilidad reducida.
La figura 2 muestra los valores SE de los tres lotes. El valor más bajo del Lote 1 indica una reducción del entrelazamiento mecánico y de la fricción entre las partículas. Esto sugiere que es menos probable que las partículas se aglomeren y pueden dispersarse de forma más uniforme. La experiencia de fabricación demostró que el Lote 1 producía efectivamente una pasta más homogénea, lo que se traducía en una producción de electrodos de mayor rendimiento. Los lotes 2 y 3 generaron valores de SE más elevados y, durante la fabricación, mostraron un rendimiento incoherente, incluyendo bloqueos que provocaron tiempos de inactividad del sistema y productos fuera de especificación.
La figura 3 muestra los perfiles de permeabilidad de los tres materiales, expresados como caída de presión. El lote 1 genera realmente el valor más alto de caída de presión, lo que sugiere una permeabilidad reducida. En este caso, la mayor caída de presión es consecuencia de un lecho de polvo compactado eficazmente, que impide la transmisión de aire. Esto se asocia típicamente con materiales que pueden fluir y distribuirse eficientemente, reforzando la correlación observada con el rendimiento del proceso y los valores SE.
Conclusión
Los resultados sugieren que los polvos menos permeables, con un bajo grado de enclavamiento mecánico y fricción, son más adecuados para el proceso de producción de lechada, lo que se traduce en un mayor rendimiento. El enfoque multivariante del reómetro para polvos FT4 Powder Rheometer® permite identificar y cuantificar con precisión las propiedades relevantes, lo que permite definir especificaciones sólidas para los polvos.
