La demanda de baterías de iones de litio recargables aumenta con rapidez, lo que lleva a los fabricantes a tener que cumplir los exigentes requisitos de calidad de producción y desarrollo continuo de baterías.
La amplia gama de soluciones analíticas de caracterización de METTLER TOLEDO para el laboratorio y balanzas de precisión automatizadas para la fabricación ofrecen desarrollo de la garantía de calidad (QA) y procedimientos del control de calidad (QC) para la producción de baterías de iones de litio.
Nuestras innovadores soluciones industriales y de laboratorio favorecen los diferentes pasos en la cadena de valor de las baterías de iones de litio, desde las pruebas de materias primas y componentes de baterías hasta la producción y el control de calidad final.
El incesante aumento del mercado de los dispositivos electrónicos portátiles, así como el creciente ritmo de la revolución de los vehículos eléctricos (VE), ha dado lugar a una demanda igualmente grande de baterías recargables. Las baterías de iones de litio (BIL) son la vanguardia en esta tecnología. Este tipo de batería muestra una alta densidad de energía (al ser ligera, pero potente), una buena durabilidad de los ciclos (ya que se puede cargar y recargar sin perder mucha energía en cada ciclo) y una baja tasa de autodescarga.
El diagrama de baterías de iones de litio muestra el principio de funcionamiento de una batería de iones de litio. Las BIL almacenan la energía que se libera a través de una reacción electroquímica entre el material del ánodo y del cátodo. Tanto el cátodo como el ánodo contienen iones de litio con carga positiva.
Durante la descarga, la reacción de oxidación en el ánodo libera electrones y cationes de litio. Los electrones fluyen a través de un cable externo hacia el cátodo. Para cerrar el circuito eléctrico, los cationes de litio fluyen a través del electrolito líquido y el separador hacia el cátodo, donde se recombinan en una reacción de reducción.
Durante la carga, las reacciones en los electrodos se invierten y los iones de litio fluyen en la dirección opuesta. Los iones de litio no participan en la reacción electroquímica global y permanecen en su estado de oxidación.
Las soluciones electrolíticas que se suelen emplear en baterías de iones de litio comerciales constan de disolventes orgánicos (sobre todo carbonatos cíclicos y lineales), sales de litio y varios aditivos. Los electrolitos y otros materiales de baterías de iones de litio no deben contener agua, ya que incluso las trazas reaccionan con el electrolito para generar productos secundarios agresivos, como el ácido fluorhídrico, que ponen en peligro el rendimiento y la seguridad de las baterías. Dada su mala influencia, se debe comprobar de forma periódica que el electrolito no contenga agua.
La titulación coulométrica de Karl Fischer es el método preferido para determinar el contenido de agua del electrolito de forma precisa y exacta. No solo se puede determinar el agua en el electrolito, sino también el producto de degradación perjudicial, el ácido fluorhídrico (HF). La titulación ácido-base ha demostrado ser un método exacto y fiable para comprobar el contenido de HF del electrolito de la batería.
La densidad de un líquido depende de su composición molecular. Una rápida comprobación de la densidad con un medidor de densidad de METTLER TOLEDO puede ayudar a detectar la contaminación de los electrolitos con agua u otras impurezas.
La calorimetría diferencial de barrido (DSC) se emplea en QC para estudiar la composición y el contenido de los carbonatos en soluciones electrolíticas, que tienen importantes implicaciones para la estabilidad de los ciclos, la densidad de energía y la seguridad de las baterías de iones de litio. La DSC también proporciona información sobre la fusión y la cristalización de los electrolitos para determinar las temperaturas mínimas para los procesos de carga y descarga.
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Notas de aplicaciones:
El rendimiento y la seguridad de los electrodos están enormemente influidos por el envejecimiento inducido por la carga y la descarga, así como por la degradación del material activo de los cátodos.
Ofrecer mediciones precisas para la capacidad calorífica, las temperaturas de descomposición y determinación de entalpía, las técnicas de análisis térmico constituyen una ayuda fundamental en los estudios de la estabilidad térmica para la caracterización de baterías de iones de litio. Para obtener más información sobre los componentes de degradación de un solo experimento, un TGA o un TGA/DSC de METTLER TOLEDO puede acoplarse a un sistema de análisis de gases adecuado para realizar, por ejemplo, una espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier, una espectroscopia de masas, una cromatografía de gases-espectroscopia de masas o una microcromatografía de gases-espectroscopia de masas.
De forma parecida a como se hace para el electrolito, las pruebas de cátodos y ánodos incluyen el análisis de contenido de agua antes de usar los componentes de la batería. El cambiador automático de muestras de horno InMotion KF de METTLER TOLEDO calienta el material sólido a temperaturas elevadas, extrae el agua y lo guía a un titulador coulométrico Karl Fischer, donde se detecta.
Además, la titulación o la valoración sirve para determinar el contenido metálico (cobalto, manganeso, hierro, níquel) del material del cátodo, así como comprobar el material para impurezas como cloruros, hidróxidos y carbonatos.
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Notas de aplicaciones:
Separadores para baterías de iones de litio tienen un impacto crucial en el rendimiento y la vida útil de las baterías, así como en su fiabilidad y seguridad. Por ejemplo, la degradación del material de los separadores es, con frecuencia, la causa principal de un cortocircuito interno que provoca errores en las células. Por ello, los métodos fiables para las pruebas y análisis de separadores son muy importantes.
El análisis térmico sirve para caracterizar las propiedades térmicas de separadores, que suelen estar fabricados con poliolefinas como PP o PE. Entre las limitaciones tecnológicas de dichas membranas, se incluyen la resistencia de penetración, la contracción y la fusión. Estas propiedades se pueden investigar mediante análisis termogravimétrico (TGA), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y análisis termomecánico (TMA).
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Desde las materias primas hasta el producto de alta calidad, una batería de iones de litio tiene que pasar por hasta 25 etapas de producción, lo que sienta las bases para la calidad y el rendimiento exigidos. El pesaje, incluida la determinación del contenido de humedad, resulta clave para proporcionar consistencia y trazabilidad a lo largo de toda la cadena de fabricación.
Las materias primas caras representan hasta el 60 % de los costes totales de la producción de células. El pesaje es el método más exacto para cumplir las elevadas tolerancias de proceso en lo referente a la coherencia de la formulación y a evitar costosos desperdicios.
Una vez apilados los electrodos, el pesaje es la solución para el llenado de electrolitos. Incluso si es posible controlar el flujo de electrolitos, la exactitud de los dispositivos de pesaje de alta precisión puede asegurar un control de calidad total.
La ausencia de piezas o la posibilidad de que caigan piezas ocultas en el módulo por accidente podrían ocasionar un incendio y destruir el módulo. Esto puede evitarse mediante el uso de una báscula de alta resolución para llevar a cabo comprobaciones de integridad, lo que incluso elimina los problemas de detección relacionados con las superficies brillantes.
Dado que el contenido sólido de la pasta de los electrodos afecta a la calidad del revestimiento y, por ello, a su rendimiento, resulta fundamental el control estricto del contenido de humedad de los sólidos, respectivamente, durante la producción de los electrodos. Esto se puede realizar de forma rápida y sencilla con un analizador de humedad halógeno.
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Aplicaciones de pesaje de laboratorio en la industria de baterías de iones de litio
Casos prácticos:
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Producción de baterías de iones de litio: cajas de pesaje industrial automatizadas
El rendimiento de las baterías depende, en gran medida, de la pureza del material activo de los cátodos y el tamaño de las partículas del material precursor, PCAM.
Durante la precipitación o cristalización, el control continuo del pH del proceso es extremadamente importante para incluir en la morfología y distribución de partículas de PCAM. La variabilidad del proceso puede cambiar drásticamente el perfil de morfología y, por ello, no es conveniente. La medición exacta del pH en línea es un requisito previo para sostener la estabilidad del proceso.
La precipitación del PCAM (metalhidróxidos) puede escalar en los sensores del proceso y provoca derivas en la medición.
El sensor de pH inteligente para procesos InPro 4260i de METTLER TOLEDO está adaptado a los procesos de fabricación de PCAM con altas concentraciones de sólidos en suspensión. Combinado con el sistema de limpieza automatizado EasyClean 200, METTLER TOLEDO ofrece la solución de medición definitiva para el control de pH para procesos fiables de PCAM.
El reactor requiere un nivel de oxígeno bajo para evitar la oxidación de PCAM. El InPro 6850i es el sensor de oxígeno in situ de tamaño reducido de METTLER TOLEDO que mide de forma exacta los niveles de oxígeno en el espacio vacío del reactor y permite el rápido control de gas inerte.
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Guía: Ciclo de vida de la batería de iones de litio
Garantice el rendimiento y la seguridad a lo largo de la cadena de valor de las baterías: optimice los procesos y aproveche la alta precisión para garantizar el rendimiento y la seguridad de las baterías.
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¿Qué son las pruebas de baterías de iones de litio y cómo funcionan
Seleccione su pregunta de interés:
- ¿Cuál es la ventaja de las baterías de iones de litio?
- ¿Cuál es la vida útil de una batería de iones de litio?
- ¿Cuál es la temperatura de funcionamiento segura para una batería de iones de litio?
- ¿Cómo influye el agua en el interior de una batería de iones de litio?
- ¿En qué componentes de la batería debe comprobarse si hay agua?
- ¿Se debe comprobar si el electrolito contiene agua y ácido fluorhídrico antes de introducirlo en la batería?
- ¿Cuál es el método preferido para comprobar si el electrolito contiene agua?
- ¿Qué método se recomienda para comprobar si el cátodo, el ánodo y el separador de los sólidos contienen agua?
- ¿Se debe comprobar la densidad del electrolito?
- ¿Cómo puede el análisis térmico contribuir a la investigación de seguridad en las baterías de iones de litio?
- ¿Cómo puede investigarse la síntesis del material de los ánodos de grafeno mediante análisis térmicos simultáneos?
- ¿Por qué es importante apagar el separador y cómo se puede investigar?
- ¿Podría el material agresivo perjudicar el dispositivo de medición empleado para formular un lote de compuesto?
- ¿Cómo se calibra una báscula industrial en mi maquinaria y mi sistema de producción?
- ¿Cuál es la ventaja del llenado de electrolitos basado en el peso?
- ¿Con qué exactitud se puede medir el proceso de llenado de electrolitos?
- ¿Se pueden detectar las piezas ocultas en los módulos de las baterías con una báscula industrial?
- ¿Por qué es importante el control exacto de pH de procesos durante la fabricación de PCAM?
- ¿Cómo puedo evitar la degradación de PCAM en cristalizadores?
- ¿Durante la calcinación de PCAM, ¿cómo puedo estar seguro de que la concentración de oxígeno está en el nivel requerido?
1. ¿Cuál es la ventaja de las baterías de iones de litio?
Las baterías de iones de litio se pueden recargar cientos de veces y son más estables. Además, tienden a tener una mayor densidad de energía, capacidad de voltaje y una menor tasa de autodescarga que otras baterías recargables.
2. ¿Cuál es la vida útil de una batería de iones de litio
La vida útil habitual de una batería de iones de litio es de unos dos o tres años, o de entre 300 y 500 ciclos de carga, lo que ocurra antes.
3. ¿Cuál es la temperatura de funcionamiento segura para una batería de iones de litio?
Las baterías de iones de litio funcionan de manera óptima cuando se cargan a entre 0 °C y 45 °C. La temperatura de descarga óptima se encuentra en los –20 °C y los 60 °C.
4. ¿Cómo influye el agua en el interior de una batería de iones de litio?
El agua que hay en el interior de una batería de iones de litio reacciona con el electrolito para generar productos perjudiciales como el ácido fluorhídrico (HF). Estas sustancias químicas provocan la degradación de los electrodos, alteran la función general y reducen definitivamente la capacidad. Además, el agua puede hacer que se produzca una fuga térmica, lo que haría explotar la batería.
5. ¿En qué componentes de la batería debe comprobarse si hay agua?
Todos los componentes deben comprobar por si contienen agua antes de integrarse en la batería. Todos deben estar en contacto los unos con los otros mediante el electrolito líquido.
6. ¿Se debe comprobar si el electrolito contiene agua y ácido fluorhídrico antes de introducirlo en la batería?
Se conoce que el ácido fluorhídrico (HF) supone una mala influencia para el rendimiento de la batería. Se forma a través de la reacción del electrolito con agua, que puede tener lugar en el interior de una batería, pero también durante la producción del electrolito. Por ello, es importante que se compruebe no solo si el electrolito contiene agua, sino también si contiene HF antes de integrarlo en la carcasa de batería.
7. ¿Cuál es el mejor método para comprobar si el electrolito contiene agua?
La valoración o titulación coulométrica de Karl Fischer (KF) es el método preferido para determinar el bajo contenido de agua en muestras como electrolitos. El análisis es rápido y fiable, y no hace falta preparar las muestras. La muestra de electrolitos se inyecta en el vaso de titulación y el resultado se obtiene después de uno o dos minutos.
8. ¿Qué método se recomienda para comprobar si el cátodo, el ánodo y el separador de los sólidos contienen agua?
Las muestras sólidas no se pueden inyectar directamente en un vaso de titulación de Karl Fischer. De este modo, se necesita un horno de extracción en fase gaseosa para extraer el agua primero. El horno InMotion KF calienta automáticamente la muestra sólida a temperaturas elevadas y una corriente de nitrógeno seco lleva el agua vaporizada a la célula de valoración coulométrica, donde se detecta. El análisis está totalmente automatizado. El electrodo se introduce en los viales y el método se inicia mediante OneClick™.
9. ¿Se debe comprobar la densidad del electrolito?
La densidad de un líquido depende de su composición. El agua y otras impurezas cambian la densidad del electrolito. Una rápida comprobación de la densidad del electrolito puede revelar contaminaciones y mala calidad.
10. ¿Cómo puede el análisis térmico contribuir a la comprobación de seguridad de las baterías de iones de litio?
El análisis termogravimétrico (TGA) y la calorimetría diferencial de barrido (DSC) son herramientas valiosas para determinar la estabilidad térmica y el perfil de descomposición de los distintos componentes de la batería. También se puede investigar la fuga térmica de la batería tanto en casos normales como extremos.
11. ¿Cómo puede investigarse la síntesis del material de los ánodos de grafeno mediante análisis térmicos simultáneos?
Una vía sencilla y barata de obtener grafeno es reducir el óxido de grafeno, que se puede conseguir fácilmente del grafito. La reducción gradual del óxido de grafeno se puede seguir fácilmente mediante TGA/DSC.
12. ¿Por qué es importante apagar el separador y cómo se puede investigar?
Por motivos de seguridad, es importante apagar el separador (es decir, cerrar los poros) antes del inicio de la fusión. Esto se puede confirmar mediante el análisis termomecánico (TMA), que caracteriza el comportamiento de contracción y fusión de la membrana del separador.
13. ¿Podría el material agresivo perjudicar el dispositivo de medición empleado para formular un lote de compuesto?
Los módulos de peso y células de carga se suelen instalar en el exterior de un depósito o mezclador, de modo que el dispositivo de medición no tiene contacto directo con materiales calientes, fríos, agresivos ni explosivos. Además, estos sensores son exactos con independencia de la forma, la superficie, la dielectricidad, el número de Reynolds, la viscosidad o de cualquier otra característica de los materiales.
14. ¿Cómo se calibra una báscula industrial en mi maquinaria y mi sistema de producción?
Las células de carga y los módulos de pesaje que se integran en la maquinaria y los sistemas producción son componentes esenciales que deben funcionar de manera segura y precisa. METTLER TOLEDO ofrece servicios de calibración de básculas para depósitos a medida para cada capacidad con el fin de asegurar resultados coherentes y un funcionamiento fiable. Entre estos servicios se incluyen la calibración con pesas de control, la calibración de sustitución de materiales y pesas de prueba, la calibración hidráulica RapidCal™ y la calibración sin pesas CalFreePlus con POWERCELL®.
15. ¿Cuál es la ventaja del llenado de electrolitos basado en el peso?
Llenar el electrolito directamente sobre el dispositivo de pesaje favorece un ciclo cerrado entre el sensor y el dispositivo de llenado. De este modo, puede ajustar constantemente el dispositivo de llenado durante toda la producción, lo que elimina los factores de incertidumbre y asegura una calidad uniforme de las células de la batería.
16. ¿Con qué exactitud se puede medir el proceso de llenado de electrolitos?
A la hora de seleccionar tecnología de pesaje para el llenado de electrolitos, algunas de las principales consideraciones son los parámetros de la legibilidad, la repetibilidad y la sensibilidad. Lo que es aún más importante, debe evitar usar la resolución como el único criterio de selección, ya que este por sí solo no asegura la obtención de resultados estables ni de gran calidad.
17. ¿Se pueden detectar las piezas ocultas en los módulos de las baterías con una báscula industrial?
Es posible realizar una llamada comprobación de tara y peso cruzado al final del montaje de los módulos de las baterías. Con este procedimiento, podrá comprobar si están a bordo todos los productos y que no se haya caído nada al módulo durante el montaje. Además, el pesaje no se ve influido por las superficies brillantes de aluminio.
18. ¿Por qué es importante el control exacto de pH de procesos durante la fabricación de PCAM?
El proceso de pH afecta directamente al tamaño y morfología de las partículas y, como tal, es responsable del rendimiento de la batería; carga/descarga.
19. ¿Cómo puedo evitar la degradación de PCAM en cristalizadores?
La presencia de oxígeno en los reactores durante la síntesis de PCAM puede conducir fácilmente a la formación de óxidos NCM no deseados; Por lo tanto, es importante mantener una atmósfera inerte en el espacio de cabeza del reactor. La medición continua de oxígeno in situ proporciona una notificación inmediata de la entrada de aire o de una inertización de nitrógeno insuficiente.
20. Durante la calcinación de PCAM, ¿cómo puedo estar seguro de que la concentración de oxígeno está en el nivel requerido?
Medir el O2 en la línea de ventilación de un calcinador PCAM es complicado debido a las altas temperaturas, la humedad y el polvo. El analizador de oxígeno in situ (o en una configuración extractiva) GPro 500 tolera estas condiciones y proporciona mediciones precisas para permitir un control rápido del proceso.