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Ya sea que trabaje con baterías de ion de litio, baterías alcalinas, baterías de plomo y ácido, pilas de combustible, estructuras metalorgánicas o cualquier otro dispositivo de almacenamiento de energía, existen propiedades críticas de los componentes que se deben caracterizar para consideraciones de rendimiento y seguridad.
Particle Testing Authority tiene la instrumentación y la experiencia para respaldar su análisis de electrodos, electrolitos, separadores/aglutinantes e incluso la calidad de las interacciones entre los diferentes componentes y su rendimiento después de la fabricación.
Análisis de electrodos
El desarrollo de los materiales de cátodo y ánodo se basa en una mejora de la densidad de la potencia y energía y también en la estabilidad térmica/química para las mejoras en la vida de la batería y los ciclos de carga.
Los materiales usados determinan la capacidad teórica de la batería. En el procesamiento de electrodos, el conocimiento de la morfología de partículas (que incluye el tamaño de partículas, la forma, la densidad del polvo, la porosidad y el área de superficie) tiene un impacto crítico en la capacidad de fabricación y las características de rendimiento deseadas del electrodo.
Área de superficie
Aumentar el área de superficie del electrodo dará lugar a una mejora en la eficacia de la reacción electroquímica y facilita el intercambio de iones entre el electrodo y el electrolito, especialmente, dentro del ánodo, ya que una mayor superficie permite rutas de difusión cortas hacia los iones de litio entre las partículas de grafito. Los materiales de un área de superficie menor son más adecuados para un mejor rendimiento de ciclos de la celda, lo que da lugar a una vida de batería más prolongada.
Una mayor área de superficie efectivamente presenta algunas limitaciones debido a la interacción de degradación del electrolito en la superficie y la pérdida de capacidad resultante, junto con la estabilidad térmica. Las nanopartículas son una gran promesa para aumentar el área de superficie sin pérdida de capacidad. Esto facilita una carga rápida y velocidades de descarga más eficaces, y mejora la capacidad de la batería.
Tamaño, forma, distribución y tortuosidad de los poros
El tamaño, la forma y la tortuosidad de los poros de los electrodos afectarán de manera significativa las velocidades de transporte de ion de litio a través del electrolito retenido en esta estructura porosa. La microestructura del electrodo resultante del proceso de fabricación tiene una influencia directa en la densidad de la energía, la potencia, la vida útil y la confiabilidad de la celda de ion de litio.
Una mejor comprensión de la interconectividad de los poros adyacentes, los poros cerrados y los canales que se pueden crear durante el proceso de fabricación ayuda a garantizar una interacción óptima entre el electrolito y el electrodo. Conocer la tortuosidad de la interfaz del electrodo poroso y el electrolito posibilita determinar si las limitaciones del rendimiento de la celda se deben a su microestructura.
Mediciones de la porosidad
La estructura de porosidad del electrodo tiene una influencia directa en el contacto partícula a partícula entre el material activo y el diluyente conductor. Al controlar la porosidad, se puede obtener una mayor conductividad intraelectrodo para garantizar un intercambio adecuado de electrones y también el suficiente espacio vacío para el acceso a electrolitos/el transporte de iones de litio (por ejemplo) para la intercalación del cátodo. El bloqueo o la obturación de la porosidad durante la intercalación pueden dar lugar a una disminución de la capacidad.
Densidad
La densidad del ánodo de grafito tiene un efecto en su capacidad de soportar la degradación bajo operaciones dificultosas de carga y descarga. Una mayor densidad de partículas del electrodo del ánodo disminuye la porosidad, lo que da lugar a una menor área de superficie activa del electrodo. Esto reduce el área de contacto del electrodo/electrolito.
La densidad real/absoluta y la densidad de la envoltura pueden ayudar a determinar el rendimiento electromecánico atribuido a la porosidad disponible de los electrodos para la intercalación. Se ha encontrado una correlación clara entre la capacidad irreversible y el volumen de poros interno.
La densidad de presión transaxial (compactada) es un indicador importante de la densidad de energía volumétrica. Una densidad compactada baja se traduce en una densidad de energía volumétrica baja donde lo contrario indica una densidad volumétrica alta. Una densidad compactada más alta permite elaborar películas de electrodos más densas (más material activo por volumen de unidad) para el recubrimiento del electrodo.
Tamaño/forma de la partícula
El tamaño de la partícula influye en la capacidad, los ciclos y la eficacia, en coulomb. El tamaño de la partícula impactará en la cantidad de difusión en estado sólido de los iones de litio que se intercalan en el electrodo. Las partículas más pequeñas, especialmente, las nanopartículas, darán lugar a cambios de volumen más pequeños luego de los ciclos. Esto contribuye a un menor estrés mecánico, una mayor dureza y más resistencia a las fracturas.
Se ha informado que una amplia distribución del tamaño de la partícula puede aumentar la densidad de energía más que una distribución monodispersa. Controlar y personalizar la distribución del tamaño de la partícula puede dar origen a la capacidad de hacer ajustes personalizados que producirán una densidad de alta potencia (monodispersa) o alta energía (polidispersa).
La forma de la partícula afectará propiedades como la densidad de compactación, ya que las partículas de forma esférica se compactarán de manera más densa que las partículas con forma de copo.
Evaluación del separador/aglutinante/de la membrana
El separador o la membrana permiten el flujo de iones de un electrodo a otro, mientras se evita cualquier flujo de electrones, fundamentalmente, mientras se separa el ánodo del cátodo.
El separador típico está elaborado de poliolefinas, por lo general, polipropileno o, junto con otros polímeros, cerámicos y mezclas de cerámico/polímero. Los separadores son altamente porosos; por lo general, >40 % de porosidad, unos 25 μm de espesor, y exhiben baja resistividad iónica. Los separadores en capas o compuestos se utilizan como dispositivos de seguridad para evitar la fuga térmica de la celda.
Los materiales de aglutinante se utilizan para mantener juntas las partículas de material del electrodo activo y en contacto con los colectores actuales, es decir, la lámina de aluminio del cátodo o la lámina de cobre del ánodo.
Potencial zeta
Para comprender mejor los mecanismos de transporte de la membrana del separador, el potencial zeta puede indicar la afinidad del electrolito por la membrana. Esto puede permitir el ajuste del rendimiento de la batería para extender el ciclo de vida.
El ciclo de vida se prolonga cuando el separador tiene una resistencia electrolítica baja y una alta permeabilidad acuosa. El potencial zeta también puede brindar información necesaria sobre la afinidad de las membranas con los aditivos del electrolito.
Mediciones de la porosidad
La especificación de la porosidad en porcentaje es un parámetro importante en cuanto a los criterios de aceptación del separador. El separador debe tener la densidad de poros suficiente para mantener el electrolito de la solución que respalda el movimiento iónico entre el ánodo y el cátodo. Una mayor porosidad implica menos calor generado en la celda y mayor densidad de energía.
La porosidad uniforme es esencial para evitar variaciones en el flujo de iones. Mientras mayor sea la variación del flujo iónico dentro del separador, mayor será el efecto en la superficie del electrodo y más rápido fallará debido a un ciclo de vida significativamente menor. Una porosidad excesiva impide la capacidad de los poros para cerrarse, lo cual es vital para permitir que el separador apague una batería sobrecalentada.
Tamaño, forma, distribución y tortuosidad de los poros
El tamaño de los poros del separador debe ser más pequeño que el tamaño de la partícula de los componentes del electrodo, es decir, los materiales activos del electrodo y cualquier aditivo conductor. La mayoría de las membranas del separador contienen tamaños de poros submicrométricos que bloquean la penetración de partículas.
La distribución uniforme y una estructura tortuosa de los poros también son imprescindibles. Una distribución uniforme evita la distribución desigual de corriente en todo el separador y la tortuosidad impide la generación de dendritas de litio.
Análisis del electrolito
El electrolito en solución juega un papel clave en las baterías de ion de litio comerciales porque permiten la conducción de los iones de litio entre el cátodo y el ánodo. El electrolito utilizado más a menudo está compuesto de sal de litio, como LiPF6 en una solución orgánica.
Se requiere una alta pureza para evitar la oxidación del electrodo y promover un buen ciclo de vida. Además de la sal de litio, la solución final del electrolito también incluye diversos aditivos. Estos aditivos se mezclan con la solución de LiPF6 para evitar la formación de dendritas de litio y la degradación de la solución.
Potencial zeta
Existen fenómenos electrocinéticos provocados por la separación de la carga en la interfaz del electrolito-separador. La difusión de la solución del electrolito cargado por los poros del separador tiene que someterse a la influencia del potencial zeta de la interfaz.
El potencial zeta en esa interfaz puede dificultar o facilitar el paso del electrolito por el separador. El valor del potencial zeta indica la estabilidad potencial de un sistema: mientras más grande sea el valor (positivo o negativo), mayor será la estabilidad de la solución.
Análisis de fabricación y fallas
La caracterización del material antes y durante la fabricación es un parámetro crítico de control para garantizar la operación óptima de los componentes de la celda y la batería ensamblada final.
Desde materias primas hasta la fabricación de componentes y la propia batería ensamblada, la caracterización de materiales juega un papel vital al determinar el rendimiento electromecánico, la seguridad, los ciclos de la celda y otros importantes parámetros deseados.
Tamaño/forma de la partícula: materias primas
El tamaño de la partícula y la forma influyen en la densidad de compactación, lo cual, a su vez, afecta el espesor del electrodo y, en consecuencia, la densidad de energía.
Se ha demostrado que la distribución del tamaño de la partícula del grafito y también la orientación de la lámina revestida afectan el rendimiento electromecánico de los ánodos del grafito. La pureza también es una cuestión importante y se deben mantener niveles bajos de impurezas metálicas en todos los polvos y aditivos utilizados en la fabricación de electrodos.
Degradación del rendimiento
Durante la vida útil de una celda, los eventos físicos y electromecánicos contribuyen a la degradación en el rendimiento. Este descenso en el rendimiento se reconoce de manera más notable en la disminución de la capacidad durante los ciclos de carga y descarga o una vida útil reducida.
La expansión y la contracción puede provocar un estrés de interfaz que afecta de manera adversa el rendimiento del electrodo, al punto que se puede producir la delaminación, lo cual da lugar a una reducción en el contacto entre el material del electrodo y el colector de corriente. Los cambios en el tamaño de los poros se pueden producir debido a esta falla mecánica, lo que provoca una reducción en el contacto del electrolito y un comportamiento deficiente de ciclos.
Los métodos programados de temperatura, como la calorimetría diferencial de barrido y el análisis termogravimétrico, se pueden emplear para examinar posibles condiciones de sobrecalentamiento.
Determinación del calandrado o de la fracción sólida
El calandrado es el paso más crítico en la producción de electrodos de alto rendimiento. La porosidad y el espesor de la película del electrodo disminuirán con un mayor calandrado. También se esperaría que el calandrado cambie la estructura de poros del electrodo, lo cual, por consiguiente, impacta en el comportamiento de humedad de la película por parte del electrolito.
El calandrado con un nivel superior al óptimo provoca reducciones en la porosidad y un diámetro de poros promedio, lo que puede dar lugar a una pérdida de capacidad irreversible, ciclos de alta velocidad y duración deficiente en el rendimiento del ciclo. La fracción sólida es un parámetro de control utilizado en operaciones de compactación con rodillo. Este parámetro de control ayuda a determinar la configuración óptima para la velocidad, la comprensión y el ángulo de la línea de contacto en el compactador con rodillo. Utilizar la fracción sólida como atributo crítico de calidad garantizará un producto uniforme entre lotes, al igual que un producto final con el rendimiento electromecánico diseñado y deseado.
PTA puede caracterizar el flujo del polvo de la materia prima para asegurar un proceso sin problemas y caracterizar las propiedades de la película del electrodo terminado.