Los avances en materia de seguridad y rendimiento de las baterías requieren análisis térmicos, mecánicos y reológicos que respalden la innovación.
Los análisis térmicos, mecánicos y reológicos son fundamentales para mejorar la seguridad, el rendimiento y la innovación en el sector de las baterías y el almacenamiento de energía. Estas técnicas respaldan todas las fases del desarrollo —desde el descubrimiento de materiales hasta la fabricación y el diseño del paquete— al ofrecer una visión detallada del comportamiento de los materiales en condiciones reales.
El análisis térmico garantiza que los materiales puedan soportar las temperaturas de funcionamiento y ayuda a prevenir el sobrecalentamiento mediante mediciones precisas de la estabilidad, la conductividad y el flujo de calor. El análisis mecánico dinámico verifica la integridad estructural de los componentes sometidos a tensiones y ciclos térmicos, lo que garantiza su durabilidad a largo plazo. El análisis reológico permite optimizar las formulaciones de las pastas para obtener recubrimientos uniformes de los electrodos y un rendimiento electroquímico constante.
Fundamentalmente, el análisis térmico de la batería en funcionamiento mediante microcalorimetría permite a los investigadores monitorear la generación de calor durante el ciclo de la batería en tiempo real, distinguiendo entre las reacciones electroquímicas deseadas y las reacciones secundarias parásitas que afectan la seguridad y la eficiencia. En conjunto, estas herramientas permiten a los ingenieros y fabricantes diseñar sistemas de almacenamiento de energía más seguros, confiables y eficaces.
Mejorando el rendimiento del almacenamiento de energía
El análisis térmico ayuda a identificar materiales seguros y estables, así como a optimizar las estrategias de gestión térmica mediante mediciones como la conductividad y la difusividad térmicas. Los ensayos mecánicos garantizan la integridad estructural y la durabilidad en condiciones de tensión, vibración y variaciones de temperatura. La reología desempeña un papel fundamental a la hora de garantizar que las suspensiones de electrodos estén optimizadas para lograr un recubrimiento uniforme y un rendimiento constante. En conjunto, estas herramientas permiten a los ingenieros y fabricantes acelerar el desarrollo, reducir los riesgos y ofrecer soluciones de almacenamiento de energía de alto rendimiento y larga duración.
Desarrollo de materiales, validación del rendimiento y soluciones de fabricación
La seguridad es un aspecto fundamental en la investigación y el desarrollo de baterías. La calorimetría diferencial de barrido (DSC) es una técnica fundamental para evaluar la estabilidad térmica de los materiales de las baterías, identificar el inicio de reacciones exotérmicas, cuantificar el calor de reacción y evaluar la seguridad en diferentes estados de carga.
Más información: Evaluación de seguridad de materiales de cátodo y ánodo de baterías de iones de litio al usar calorimetría diferencial de barrido
Los investigadores siguen optimizando los materiales de cátodo para mejorar la conductividad eléctrica mediante recubrimientos, modificaciones morfológicas o dopaje. El análisis térmico puede proporcionar información sobre la estabilidad térmica, las transiciones de fase y la composición de una muestra de fosfato de hierro y litio (LFP).
Más información: Evaluación térmica de cátodos de baterías de iones de litio LFP mediante DSC-TGA (SDT) simultáneo
Los separadores de baterías son fundamentales para el desempeño y la seguridad de las baterías de iones de litio, ya que permiten el intercambio de iones al mismo tiempo que actúan como una barrera física entre los electrodos. Análisis mecánico dinámico (DMA) para medir la respuesta mecánica y viscoelástica en función de la temperatura, con el fin de garantizar la integridad termomecánica.
Más información: Desarrollo de películas separadoras de baterías: Efectos del recubrimiento
Los electrolitos líquidos deben permanecer en estado líquido para garantizar un transporte iónico óptimo y el rendimiento de la batería. La calorimetría diferencial de barrido (DSC) ofrece un sencillo mecanismo de medición para evaluar la cristalización y fusión de los electrolitos. La DSC modulada permite comprender mejor las transiciones de fase de los electrolitos, lo que contribuye a mejorar la confiabilidad de las baterías a bajas temperaturas, algo especialmente importante para las aplicaciones en climas fríos.
Más información: Análisis térmico de los electrolitos en baterías de iones de litio para determinar su desempeño a bajas temperaturas
Para optimizar la fabricación de electrodos y reducir al mínimo los residuos, es necesario comprobar la formulación de la suspensión en cada una de las siguientes etapas del proceso, ya que las suspensiones se ven sometidas a velocidades de cizallamiento que pueden alterar sus propiedades y rendimiento. El DHR mide la viscosidad a velocidades de cizallamiento relevantes para ayudar a los usuarios a optimizar las suspensiones con el fin de lograr un recubrimiento uniforme y comprobar la red conductora en condiciones reales de mezcla y recubrimiento.
Más información: Mediciones de reoimpedancia en la investigación de baterías de iones de litio: Efecto aditivo de los nanotubos de carbono en el cátodo de LiFePO4
La solución de microcalorímetro para cicladores de baterías permite la detección in situ y no destructiva de reacciones parásitas e inestabilidades térmicas, lo que proporciona información temprana sobre la degradación de las celdas, el comportamiento de los materiales y la optimización química mucho antes de que se manifiesten fallas electroquímicas.
Más información: Determinación de la potencia parasítica en baterías de iones de litio utilizando la solución de microcalorímetro para ciclador de baterías
La detección temprana de la sobrecarga mediante un microcalorímetro con ciclador de baterías reveló inestabilidad en el flujo de calor y reacciones secundarias mucho antes de que aparecieran signos electroquímicos de falla, lo que demuestra su capacidad única para descubrir de forma no destructiva los mecanismos fundamentales de la falla y contribuir a la optimización en fases tempranas de las composiciones químicas de las baterías.
Caracterización de materiales
Recursos para el análisis de suspensiones
Pruebas de baterías en funcionamiento
Notas de aplicación de baterías
- Determinación de energía parásita en baterías de iones de litio al utilizar el microcalorímetro ciclador de baterías
- Evaluating the Early Impacts of Overcharge on a Lithium-ion Battery Cell Using the Battery Cycler Microcalorimeter Solution
- Evaluación de seguridad de materiales de cátodo y ánodo de batería de iones de litio al usar calorimetría diferencial de barrido
- Rheo-Impedance Measurements in Li-Ion Battery Research: Additive Effect of Carbon Nanotubes in LiFePO4 Cathode