Ya sea que haya usado un teléfono celular o conducido un vehículo eléctrico (por favor, no al mismo tiempo), probablemente se haya dado cuenta de que las baterías de iones de litio se están apoderando del mundo de la energía. Ellos alimentan nuestros dispositivos electrónicos portátiles, equipos médicos vitales, vehículos eléctricos y almacenamiento de energía renovable. A medida que el mercado se expande, los investigadores están encontrando formas de hacer que las baterías de iones de litio sean cada vez más potentes, confiables y seguras, al tiempo que minimizan el tiempo y el costo de producción.

A medida que se desarrollan nuevas baterías, la seguridad sigue siendo una de las principales preocupaciones, ya que las baterías de iones de litio tienden a sobrecalentarse, debido a abusos térmicos, eléctricos y mecánicos, lo que en algunos casos conduce a una fuga térmica y una combustión.

Las técnicas de análisis térmico aclaran cómo los materiales de las baterías responden a las tensiones térmicas, lo que permite a los científicos de baterías crear baterías más seguras y de mejor rendimiento. Un sistema de gestión térmica de baterías es solo un ejemplo de cómo la información de propiedades térmicas obtenida del análisis térmico puede ayudar a producir baterías más seguras al garantizar que las temperaturas de funcionamiento se mantengan por debajo del punto en el que el material de la batería puede comenzar a degradarse.

Los siguientes ejemplos de investigación destacan cómo los laboratorios de desarrollo de baterías de iones de litio líderes en el mundo utilizan las técnicas de análisis térmico de TGA, DSC y TGA-MS para respaldar el diseño y las pruebas de productos innovadores.

Los calorímetros diferenciales de barrido (DSC) miden el calor absorbido o liberado cuando un material de muestra se calienta, se enfría o se mantiene isotérmico. El flujo de calor se determina comparando la diferencia de flujo de calor entre un material de muestra y una referencia. DSC proporciona información sobre la capacidad calorífica del material de la batería y las transiciones de fase, como el punto de fusión (T _m ), el calor de fusión y la transición vítrea ( T _g ).

Las baterías de iones de litio generalmente funcionan dentro de un rango de temperatura de -20 a 60 °C, pero los abusos mecánicos, eléctricos o térmicos pueden provocar un aumento y una caída excesivos de la temperatura dentro de una batería que puede provocar un evento cataclísmico llamado fuga térmica. La naturaleza exacta de los mecanismos termodinámicos y cinéticos de la fuga térmica sigue siendo un área de investigación activa. Los estudios indican que el paso inicial de la fuga térmica puede comenzar con la descomposición de la interfaz de electrolito sólido (SEI) entre 80 y 120 °C. A temperaturas progresivamente más altas, otros materiales dentro de la batería comienzan a descomponerse e interactuar.

Un estudio innovador de Zhou et. al. de la Universidad de Purdue aprovechó un DSC de TA Instruments para construir un modelo computacional para comprender y predecir la fuga térmica. Su estudio demuestra que las interacciones entre los electrodos de la batería desencadenan el evento catastrófico de seguridad a nivel de una sola celda. Su perspicaz investigación nos acerca un paso más a la comprensión de los mecanismos de la fuga térmica y nos brinda una mejor comprensión de la seguridad de las baterías.

Los analizadores termogravimétricos (TGA) calientan un material mediante programación mientras miden su cambio de masa con una balanza analítica de alta sensibilidad. La pérdida de masa indica una posible descomposición o vaporización, mientras que una ganancia de masa representa una posible sorción o que el material está reaccionando con su entorno gaseoso. Los desarrolladores de baterías recurren a TGA para cuantificar la oxidación, la degradación térmica y la estabilidad térmica. TGA aclara las temperaturas a las que los materiales de las baterías comienzan a degradarse, lo que permite a los investigadores elegir los materiales adecuados y construir baterías duraderas y de alto rendimiento.

Las baterías de iones de litio disponibles en el mercado utilizan disolventes de carbonato de base orgánica. Una desventaja de estos solventes de carbonato orgánico es que a temperaturas elevadas pueden ser inflamables. Una alternativa a los disolventes de carbonato orgánico son los electrolitos a base de polímeros y geles. Cresce et al. utilizaron un TGA de TA Instruments para probar su sistema electrolítico de gel de acrilato fácil de fabricar en una batería de iones de litio de base acuosa. Descubrieron que su gel cambia de composición por encima de los 90 °C. Por lo tanto, su batería es más favorable que las baterías de electrolitos orgánicos de última generación que utilizan sal LiPF ₆ , que se degradan a solo 70 °C. El equipo de investigación de Cresce se benefició de las medidas exactas de TGA del cambio de peso de los electrolitos de gel a diferentes temperaturas, lo que permitió sacar conclusiones confiables sobre la seguridad de sus diseños.

Kohlmeyer et al adoptaron un enfoque diferente y diseñaron una nueva combinación de electrolito y separador para el funcionamiento de la batería a alta temperatura. Estudiaron la estabilidad térmica de sus membranas en un TGA de TA Instruments. Se demostró que el LiFePO ₄ //grafito con su sistema de membrana y electrolitos funciona a 120 °C con una excelente ciclabilidad, que está significativamente por encima de la temperatura de funcionamiento de la batería de iones de litio tradicional. Su avance allana el camino para un futuro de baterías de iones de litio capaces de operar de manera segura a temperaturas más altas que nunca.

Los ejemplos anteriores demuestran cómo se pueden usar DSC y TGA para medir los perfiles térmicos de los materiales de las baterías, lo que contribuye en gran medida a mejorar los materiales y la seguridad de las baterías. Los científicos también pueden emplear estos métodos junto con la técnica complementaria de análisis de gases evolucionados (EGA) . Los investigadores de baterías pueden usar EGA para comprender los gases que se desprenden durante una medición térmica en un TGA.

TGA-MS es una técnica que combina el análisis termogravimétrico (TGA) y la espectrometría de masas (MS) que proporciona datos de estabilidad térmica e información sobre la composición química de los gases emitidos (también es posible unir GC/MS y FT-IR a TGA). Una ventaja es que no se requiere una preparación de muestra adicional a la requerida para un experimento TGA simple.

Las sales de litio tradicionales, como LiPF ₆ , pueden emitir productos gaseosos tóxicos e inseguros durante la degradación térmica, por ejemplo, ácido fluorhídrico (HF). Las alternativas a las sales de litio tradicionales son un área activa de investigación para fabricar baterías de iones de litio más seguras. Paillet et. al. demostraron el poder del TGA-MS de TA Instruments en la caracterización de la sal de litio 4,5-diciano-2-(trifluorometil) imidazolida ( LiTDI ) para baterías de iones de litio. La sal de LiTDI se comparó con LiPF _{6 de uso común} . El estudio de Paillet mostró que la estabilidad térmica de LiTDI frente a LiPF ₆ fue notablemente mejor para LiTDI (285 °C frente a 164 °C). Los autores también demostraron que LiTDI era más seguro con respecto a la evolución del gas HF. Lo lograron trazando m/z 19 en función de la temperatura de su estudio TGA-MS. LiTDI mostró una menor evolución de HF en relación con LiPF ₆ y, al mismo tiempo, demostró una capacidad de potencia similar a LiPF ₆ , lo que representa un electrolito prometedor para futuras baterías de iones de litio con una mejora significativa en la seguridad.

DSC, TGA y TGA-MS jugaron papeles críticos en los descubrimientos mencionados aquí. Desde el análisis detallado del material de la batería hasta el rendimiento de la batería completa, estas técnicas permitieron a los investigadores determinar qué diseños eran seguros y efectivos en condiciones específicas. Todos tenían como objetivo impulsar aún más las capacidades de las baterías de iones de litio para mejorar el rendimiento a altas temperaturas, que es una tendencia que seguramente continuará a medida que las baterías de iones de litio se utilicen cada vez más en los dispositivos y aplicaciones cotidianos.

*Nota: Algunos de los instrumentos utilizados en estas referencias utilizan modelos de generaciones anteriores. Los instrumentos vinculados en este artículo destacan los modelos de generación actual con información detallada sobre sus capacidades de prueba.