Las baterías de iones de litio representan la batería recargable dominante en el mercado actual.  Se pueden encontrar en muchas aplicaciones, como la electrónica de consumo, los vehículos eléctricos y los equipos industriales. Debido a la enorme adopción de las baterías de iones de litio en los últimos años, la tecnología de las baterías es el centro de un conjunto diverso de áreas de investigación cuyo objetivo es mejorar su vida útil, su rendimiento y su seguridad.   

Un área de investigación fundamental es la mejora del procesamiento y la fabricación de los electrodos.  En concreto, los investigadores se han centrado en optimizar el proceso de fabricación de los electrodos, que consiste en mezclar partículas sólidas activas de cátodo o ánodo con aglutinantes, aditivos y disolventes que dan lugar a una suspensión con propiedades de flujo complejas no newtonianas. El procesamiento eficiente de estos lodos depende en gran medida de la comprensión de las propiedades de flujo de los lodos, también llamadas perfiles reológicos

Un conocimiento detallado de la reología de la suspensión puede proporcionar un mejor control de su estabilidad de almacenamiento frente a la sedimentación, la capacidad de bombeo y transporte, y la capacidad de formar películas uniformes y sin defectos con un mayor peso de recubrimiento. Estas mediciones ayudan a agilizar los esfuerzos de optimización de los procesos y permiten a los investigadores derivar relaciones significativas entre la estructura y las propiedades a medida que desarrollan nuevos materiales que amplían los límites del rendimiento de las baterías. Los siguientes estudios destacan el trabajo de los principales investigadores que utilizan la reología para mejorar el desarrollo, la manipulación y el procesamiento de materiales para baterías.  

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Todas las baterías de iones de litio requieren el recubrimiento del cátodo con una suspensión. La fabricación moderna de baterías industriales utiliza el revestimiento de ranuras en los cátodos, en el que un cabezal de ranuras recubre uniformemente el cátodo con una lechada lisa y uniforme. A medida que aumenta la demanda de una fabricación más rápida y eficaz de baterías de iones de litio, los investigadores Hawley y Li, del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Tennessee, buscaron acelerar el recubrimiento del troquel de ranura elevando su temperatura para reducir la viscosidad de la suspensión del cátodo.1 La reducción de la viscosidad de los lodos da lugar a una velocidad de aplicación máxima y a unas imperfecciones mínimas, como el arrastre de aire y las variaciones de espesor. El equipo utilizó un reómetro híbrido Discovery (DHR) de TA Instruments y descubrió que aumentar la temperatura de la suspensión de 25 °C a 75 °C reducía la viscosidad en un 23% a 60 °C, lo que resultaba en un aumento potencial de la velocidad de recubrimiento en aproximadamente un 14%, que se traduce en una mayor velocidad de producción de electrodos, al tiempo que se mantiene “una retención de la capacidad comparable durante los ciclos a largo plazo y las pruebas de descarga a alta velocidad”. El límite elástico y el módulo de almacenamiento en equilibrio de las suspensiones aumentaron monotónicamente entre 25 °C y 60 °C, “proporcionando el beneficio adicional de una mayor resistencia a la sedimentación de los materiales activos”.

Todas las baterías de estado sólido son una nueva configuración con electrodos sólidos y un electrolito sólido en lugar de los tradicionales electrodos y electrolitos líquidos o de gel de polímero. Los investigadores de los departamentos de ingeniería mecánica, ciencia de los materiales e ingeniería química y biomolecular de Vanderbilt investigaron la formulación de la tinta para los electrodos compuestos de todas las baterías de estado sólido (ASSB).2 La fabricación escalable de los electrodos compuestos depende de la creación de una tinta que combine el material sólido del electrodo, el aglutinante y el disolvente. La ingeniería de tinta implica optimizar la reología, el comportamiento de agregación y la estabilidad de la tinta para un proceso de recubrimiento deseado, lo que da como resultado un mejor rendimiento de los electrodos compuestos en las ASSB.  

El equipo de Vanderbilt formado por Shen, Dixit, Zaman, Hortance, Rogers y Hatzell utilizó un reómetro híbrido Discovery de TA Instruments para evaluar diferentes combinaciones de disolventes y aglutinantes. Descubrieron que el disolvente terpineol y el aglutinante polivinil butiral (PVB), una combinación menos común en la industria de las baterías, ofrecen “una mejor humectabilidad y adhesión en la interfaz sólido-sólido”, así como “una mejor tensión superficial dinámica y reología que conducen a un mejor rendimiento del electrodo y de la capacidad”. Las mediciones reológicas les ayudaron a identificar esta combinación ideal. La reología es crucial para diseñar las tintas de electrodos para la fabricación y determinar las condiciones de proceso admisibles. 

Los investigadores Khakani, Verdier, Lepage, Rochefort, Prébé, Aymé-Perrot y Dollé del Departamento de Química de la Universidad de Montreal, Hutchinson y Total SA adoptaron un enfoque diferente para agilizar la fabricación de electrodos compuestos para baterías de iones de litio, diseñando un proceso sin disolventes que es más sostenible y rentable.3 Su proceso en seco utiliza un auxiliar de procesamiento de polímeros (PPA) y evita los problemas convencionales del procesamiento de electrodos húmedos con disolventes. Su recubrimiento en seco necesitaba una mezcla homogénea con suficiente viscosidad para recubrir uniformemente el electrodo. Un reómetro híbrido Discovery (DHR) de TA Instruments ayudó a los investigadores a optimizar su mezcla y definir el rango de fuerzas de corte necesarias para aplicar la mezcla. La mezcla resultante tenía unas propiedades viscoelásticas ideales y se demostró que tenía éxito en las pruebas de celdas completas, allanando el camino para una fabricación de baterías más ecológica y de bajo costo.  

Aunque la mayoría de las baterías comerciales utilizan electrolitos orgánicos líquidos, estos disolventes orgánicos son inflamables y no son adecuados para todas las aplicaciones. Los electrolitos poliméricos sólidos (SPE) se están investigando como una alternativa más segura con una inflamabilidad reducida y unas propiedades mecánicas mejoradas que pueden ayudar a suprimir la formación de dendritas.  

Brian Jing y Christopher Evans, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, desarrollaron SPE a partir de redes de polímeros con enlaces cruzados covalentes dinámicos que mejoran la seguridad y el rendimiento del electrolito de forma sostenible y reciclable.4 Desarrollaron redes de poli(óxido de etileno) (PEO) y estudiaron el efecto de la sal LiTFSI en su temperatura de transición.  

Uno de los aspectos críticos para diseñar con éxito materiales para baterías es comprender el comportamiento del material a diferentes temperaturas. Esto es aún más importante en el caso de los materiales basados en PEO, cuyo módulo puede disminuir considerablemente durante el calentamiento. Jing y Evans utilizaron un reómetro híbrido Discovery de TA Instruments para determinar los cambios en el módulo de su SPE basado en PEO con la temperatura. Observaron que, aunque el material se volvía más blando y fluido a temperaturas más altas, el módulo de corte del material resultante era superior a 1 MPa. Se trata de un logro importante, ya que un módulo elevado de estos materiales podría potencialmente ayudar a suprimir la formación de dendritas a las altas temperaturas de uso final de las baterías, mientras que la química de la red garantiza una alta conductividad.   

El uso de ésteres borónicos para la formación de enlaces cruzados covalentes dinámicos también les permitió disolver el electrolito en agua pura en 30 minutos y recuperar los monómeros en bruto. Los electrolitos también se autocuraban en caso de daños mecánicos y conservaban más del 95% de sus propiedades conductivas y mecánicas, lo que aumenta los esfuerzos actuales de la industria por avanzar hacia materiales reciclables y reprocesables para conseguir baterías más sostenibles.  

Como demuestran estos ejemplos de investigación, la gran demanda de baterías de iones de litio está superando los límites de la fabricación a nivel mundial, lo que hace aún más crítico pensar en la optimización del proceso en la fase de desarrollo de los materiales. A medida que la innovación avanza a un ritmo vertiginoso, los laboratorios de todo el mundo trabajan para desarrollar baterías con el equilibrio adecuado entre rendimiento y seguridad. Estos ejemplos ilustran cómo la reología es una técnica crítica en el conjunto de herramientas de los científicos para diseñar y producir eficientemente baterías más seguras y de mejor rendimiento. Los factores que impulsan su investigación (fabricación más rápida, mayor seguridad, cualidades superiores para el uso final) no desaparecerán. Los científicos especializados en baterías pueden aprender con confianza de los avances de otros y adoptar sus técnicas mientras seguimos mejorando la producción y los productos de las baterías.   

TA Instruments se enorgullece de apoyar estos esfuerzos con nuestros reómetros líderes en la industria que ofrecen una precisión de medición sin precedentes, al tiempo que mantienen un alto nivel de versatilidad con numerosos accesorios y proporcionan una experiencia de usuario perfecta. Visite nuestra página de pruebas de materiales de baterías para obtener más información sobre los instrumentos que impulsan los descubrimientos de las baterías del futuro. Descargue nuestro folleto de prueba de baterías para obtener mucha más información sobre las mejores técnicas de prueba y comuníquese con nuestros expertos para conocer la mejor instrumentación para su laboratorio.