Un separador de batería permite que los iones de litio fluyan mientras mantiene el cátodo y el ánodo físicamente separados uno de otro, lo que evita así los cortocircuitos. La selección del material del separador es crucial para el rendimiento de la batería, en especial a altas temperaturas. El polietileno (PE) es un material separador común que se ablanda a altas temperaturas, lo que reduce así el tamaño de sus poros, altera el flujo de iones Li+ y evita la fuga térmica.
El análisis térmico permite a los investigadores e ingenieros desarrollar separadores que resistan el derretimiento, la descomposición o tornarse quebradizos, mientras investigan la capacidad de los separadores para detener la fuga térmica. El análisis mecánico térmico (Thermal Mechanical Analysis, TMA) verifica que el separador deje de funcionar de manera segura sin derretirse. El análisis mecánico dinámico (Dynamic Mechanical Analysis, DMA) ofrece información acerca de la estabilidad mecánica y la longevidad del separador bajo temperaturas extremas. La calorimetría diferencial de barrido (Differential Scanning Calorimetry, DSC) mide las transiciones de fase de los separadores, mientras que el análisis termogravimétrico (Thermogravimetric Analysis, TGA) mide la estabilidad térmica y apoya la determinación de la composición. Juntas, estas técnicas ofrecen un análisis integral de las cualidades y el comportamiento de un separador en condiciones de uso.

Instrumentos y parámetros de prueba

Material: membrana de polímero

Ejemplos de materiales: polipropileno (PP), polietileno (PE), separador multicapa, separador con revestimiento cerámico

Calorimetría diferencial de barrido

  • Control de calidad
    • Temperatura de fusión (Tm)
    • Calor de fusión
    • Transición vítrea (Tg)
  • Transición de fase

Análisis termomecánico

  • Estabilidad mecánica
    • Expansión y contracción térmica
  • Seguridad del separador
    • Temperatura de fusión

Marcos de carga de prueba mecánica

Fuerza del material

  • Módulo de Young, límite de elasticidad, resistencia límite, elongación hasta rotura
  • Fuerza frente a temperatura

 

Análisis termogravimétrico

  • Estabilidad térmica
    • Temperatura de descomposición
  • Determinación de composición
    • Contenido orgánico
    • Contenido inorgánico (residuo)
    • Productos de descomposición
    • Análisis de gas evolucionado,
      TGA-MS, TGA-FTIR, TGA-GCMS

 

Análisis mecánico dinámico

  • Seguridad y longevidad
    • Módulo de almacenamiento
    • Transición vítrea (Tg)
  • Repetibilidad lote a lote
    • Transición vítrea (Tg)
    • Módulo de almacenamiento, módulo de pérdida, tan delta
  • Caracterización de anisotropía mecánica
    • Módulo de almacenamiento, módulo de pérdida, tan delta

 

Ejemplos de aplicación

Expansión térmica del separador de batería en el TMA para identificar el efecto de orientación

En una batería de iones de litio, el separador, una membrana microporosa permeable, es un componente esencial que evita el contacto físico entre los dos electrodos, lo que evita así cortocircuitos, pero aún permite la transferencia de iones de litio, que es esencial para el funcionamiento de la batería. El Discovery TMA 450 puede medir el cambio de dimensión y la temperatura de falla potencial del separador. La alta sensibilidad de la medición del cambio de dimensión puede detectar tanto la expansión como la contracción térmica en diferentes orientaciones del separador. La muestra se cortó de modo que tuviera 24 mm de largo y 2 mm de ancho uniforme, y se cargó en una sonda de película y fibra. La temperatura se aumentó a 3 °C/min desde -70 °C hasta 200 °C bajo purga de nitrógeno.

Conclusión:

El TMA 450 midió la expansión térmica del separador e identificó un efecto de orientación en las direcciones tanto X como Y. Es importante comprender el efecto de orientación para evitar expansión o contracción no deseada que puede dar pie a falla mecánica en las baterías.

TMA measurements of the dimension change and thermal expansion coefficient of the separator in two different directions with TMA 450 film/fiber probe were recorded. The separator in the X-direction showed thermal shrinkage onset at 136˚C while no thermal shrinkage was observed in the Y-direction. The CTE value in X-direction is 22.39 μm/m˚C while CTE value in Y-direction is 107 μm/m˚C. The significant difference measured in the thermal expansion coefficient in the two directions indicates an orientation effect in the separator.

¿Qué eventos térmicos conducen a la fuga térmica?

Si bien quedan preguntas acerca del proceso de fuga térmica en las baterías, la comprensión actual sugiere que se inicia por la serie de eventos que siguen. Las reacciones exotérmicas que conducen a la fuga térmica tienen una interacción destructiva con cada componente interno de una batería de iones de litio (Lithium-Ion Battery, LIB) conforme continúa el aumento de la temperatura de la batería; algunos elementos se descomponen en etapas tempranas, mientras que en casi todos la acumulación de calor se acelera directamente a medida que fallan.
El primer componente que comienza a descomponerse es la interfaz de electrolito-sólido (Solid-Electrolyte Interphase, SEI), que por lo general comienza alrededor de los 80 °C a 120 °C (176 °F a 248 °F). En este punto, la fuga térmica se puede lentificar, pero ya no es reversible una vez que el ánodo queda expuesto al electrolito. Las reacciones exotérmicas que ocurren en la superficie del ánodo reactivo agregan más calor al sistema hasta que alcanza las siguientes temperaturas críticas.
El separador es el siguiente componente afectado, y falla en dos etapas. A alrededor de 120 °C a 150 °C (248 °F a 302 °F) el separador comienza a fundirse y causa un pequeño cortocircuito, seguido de un cortocircuito interno más grave cuando el separador se rompe cerca de 220 °C a 250 °C (428 °F a 482 °F).
Las reacciones siguientes ocurren con rapidez y de manera directa después del rango de temperatura anterior; el material del cátodo, el aglutinante y el electrolito comienzan a descomponerse, lo cual produce un aumento drástico de la temperatura de la celda de la batería a temperaturas de aproximadamente 800 °C (1472 °F). Estas reacciones tienen productos gaseosos que aumentan la presión dentro de la LIB.
Aparte de la rápida generación de calor, las reacciones catódicas tienen un subproducto desastroso de oxígeno que es inflamable. Dependiendo de las condiciones exactas, el resultado inmediato es «calor + oxígeno = fuego» o «calor + gas = rotura/explosión». Por supuesto, no todos los materiales son iguales y pueden caer por arriba o por debajo de estos rangos, o incluso fuera de estas temperaturas en el futuro – de modo que es esencial hacer la elección más segura posible de materiales para una batería determinada, con las pruebas adecuadas.

Termograma de TGA que pone de relieve la inestabilidad térmica del material del ánodo de grafito

A fin de evitar la fuga térmica y seleccionar materiales de batería con tolerancias al calor óptimas, los investigadores de baterías recurren a la calorimetría diferencial de barrido (Differential Scanning Calorimetry, DSC) y al análisis termogravimétrico (Thermogravimetric Analysis, TGA):

DSC: la DSC mide el flujo de calor hacia adentro o hacia afuera de un material en función de la temperatura o el tiempo. Los cambios de fase interrumpen la relación de capacidad calorífica entre el cambio de temperatura y el calor absorbido o liberado y son visibles en el gráfico que se produce. Permite realizar pruebas en una amplia variedad de condiciones que van desde la temperatura de funcionamiento segura hasta el abuso térmico.

TGA: el TGA mide la masa de una muestra en función de la temperatura o el tiempo. En términos generales, un material más estable desde el punto de vista térmico puede alcanzar una temperatura más alta antes de que ocurra cualquier cambio de la masa.

 

Responda las preguntas que siguen con los resultados de su DSC:
  • La temperatura de fusión del material, Tm
  • La temperatura de transición vítrea del material, Tg
  • La temperatura de cambio de fase más baja de los diversos materiales que componen la batería.
Responda las preguntas que siguen con los resultados de su TGA:
  • La temperatura a la cual comienza la descomposición de un material.
  • La cantidad de masa de muestra que se pierde por descomposición térmica u oxidativa a una temperatura determinada.
  • La tasa de reacciones de descomposición (tanto oxidativas como térmicamente inducidas) a una temperatura dada.
  • La temperatura máxima térmicamente estable de los diversos materiales que componen la batería.

Comuníquese con nosotros para analizar los requisitos de prueba del material de su batería.