Las soluciones industriales y de laboratorio respaldan el desarrollo y la producción de baterías de iones de litio, desde la comprobación de componentes hasta el control de calidad de la batería final.
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Las soluciones analíticas innovadoras para el análisis térmico se pueden utilizar para comprobar componentes individuales de la batería, Como materiales de electrodos ánodos/cátodos, separadores, electrolitos y más. Las herramientas críticas para la investigación de la estabilidad térmica, reacciones exotérmicas y entalpías de las baterías incluyen calorimetría diferencial de barrido (DSC),Termogravimetría (TGA),análisis termomecánico (TMA) y análisis dinamo-mecánico (DMA).
Los riesgos asociados con las situaciones de descontrol térmico, como el sobrecalentamiento y la posible explosión, son especialmente importantes para el uso de baterías de iones de litio (BIL) para aplicaciones en vehículos eléctricos. La seguridad de las baterías es un punto clave para el uso posterior de la tecnología de las baterías en nuestra vida cotidiana.
En esta guía de aplicaciones se ofrece una visión general de la tecnología de las baterías de iones de litio y se muestra cómo se pueden emplear diversas técnicas de análisis térmico en I+D y en aplicaciones de control de calidad.
Proporciona los siguientes ejemplos de aplicaciones:
- Estabilidad térmica de material del cátodo LiFePO4 en el electrolito
- Caracterización de una mezcla de electrolitos
- Análisis de separadores microporosos mediante TGA y TMA
- Control de calidad de PVDF con TGA y DSC
- Conversión de óxido de grafeno en grafeno (material del ánodo)
Aplicaciones habituales de las técnicas de análisis térmico para componentes de baterías
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Para adquirir más información sobre los componentes de degradación en un solo experimento, el equipo TGA o TGA/DSC de METTLER TOLEDO puede acoplarse a un sistema de análisis de gases adecuado. Ahora el nuevo sistema puede realizar análisis de gases desprendidos (EGA). Se puede conectar un TGA a una espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier, espectroscopia de masa, cromatografía de gases con detector de masas o micro-cromatografía de gases (espectroscopia FTIR, MS, GC/MS o Micro GC/MS respectivamente).
Principio de funcionamiento básico de una batería de iones de litio
Las BIL constan de un electrodo positivo (cátodo), un electrodo negativo (ánodo) y una solución electrolítica. Cuando la célula se está cargando, el cátodo (generalmente óxido de litio-cobalto) se oxida y el ánodo (generalmente grafito) se reduce. Cuando la célula se está descargando, ocurre lo contrario. Los iones Li+ no participan en la reacción electroquímica global y permanecen en su estado oxidado. Viajan entre el ánodo y el cátodo por difusión a través de un electrolito líquido que consiste de disolventes orgánicos, sales de litio y varios aditivos. El separador garantiza que el ánodo y el cátodo se mantengan aislados eléctricamente pero es lo suficientemente poroso como para permitir que el electrolito y los iones Li+ pasen fácilmente a través de él.
Electrodos (ánodos y cátodos)
El rendimiento y la seguridad de los electrodos están enormemente influenciados por el envejecimiento y la degradación inducidos por la carga y la descarga de material activo del cátodo. Al proporcionar mediciones precisas para la capacidad calorífica, las temperaturas de descomposición y la determinación de entalpía, las técnicas de análisis térmico son ayudas fundamentales en los estudios de estabilidad térmica.
Separador de baterías
Los separadores para baterías de iones de litio tienen un impacto crucial en el rendimiento y la vida útil de la batería, así como en la fiabilidad y la seguridad. Deben ser delgados para permitir que los iones de Li + se muevan rápidamente entre el ánodo y el cátodo, pero la integridad estructural del separador es importante porque su degradación podría provocar un cortocircuito interno.
El análisis térmico se utiliza para caracterizar las propiedades térmicas de separadores, típicamente hechos de poliolefinas (por ejemplo, PP o PE). Las limitaciones tecnológicas de tales membranas incluyen resistencia de penetración, contracción y fusión. Estas propiedades se pueden investigar por medio de termogravimetría (TGA), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y análisis termomecánico (TMA).
Electrolitos
La calorimetría diferencial de barrido (DSC) se puede utilizar en QC para estudiar la composición y el contenido de carbonatos en soluciones electrolíticas, que tienen implicaciones importantes para la estabilidad de los ciclos, la densidad de energía y la seguridad de las baterías de iones de litio. El DSC también proporciona información sobre la fusión de electrolitos y cristalización para determinar las temperaturas mínimas para los procesos de carga y descarga.
