Cátodo

Conclusión:

Las mediciones reológicas proporcionan a los investigadores una herramienta analítica confiable para desarrollar nuevas formulaciones con rendimiento y factibilidad de fabricación mejorados. La comprensión y el control de la reología del lodo ayuda no solo a elegir un proceso de fabricación apropiado (revestimiento rollo a rollo, revestimiento por boquilla ranurada, etc.) sino que también maximiza el rendimiento de producción para producir películas consistentes y sin defectos con un peso de revestimiento uniforme y buen contacto con el electrodo. Estas mediciones se pueden utilizar en entornos tanto de investigación y desarrollo como de fabricación gracias a la interfaz de usuario altamente intuitiva del DHR, que reduce los tiempos de capacitación del operador y aumenta la productividad.

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.

Durante la creación de una batería de iones de litio (Lithium-Ion Battery, LIB), la preparación del electrodo comprende la creación de un “lodo de electrodo”: una suspensión de partículas conductoras sólidas en un medio solvente, junto con aglutinantes de polímeros y componentes activos. Las propiedades de este lodo son esenciales para la calidad de una vida y afectan el rendimiento y la vida útil. El principal conflicto de la creación de un lodo de electrodo eficaz es que su viscosidad y viscoelasticidad deben estar en un rango estrecho para ser lo suficientemente altas para algunos pasos y lo suficientemente bajas para otros, con el objetivo final de un producto homogéneo.

Durante la mezcla inicial, la viscosidad debe ser lo suficientemente baja como para que se mezclen uniformemente. Después de la mezcla, la viscosidad debe ser lo suficientemente alta como para que los sólidos conductores permanezcan suspendidos de manera uniforme y se evite la sedimentación. Además, el lodo debe poder cubrirse de manera uniforme, permanecer nivelado durante el secado y tener suficiente adherencia para evitar la delaminación. Los fluidos no newtonianos son la mejor solución, porque no tienen una medición constante única para la viscosidad.