Liberar el potencial de la analítica de baterías - aplicaciones de baterías
Índice
Maximizar la eficacia y la seguridad de las baterías
En un mundo cada vez más caracterizado por la dependencia energética, las baterías desempeñan un papel crucial en un futuro sostenible.
Nuestras precisas herramientas analíticas están diseñadas para mejorar la eficiencia y la seguridad de las baterías, al tiempo que prolongan su vida útil.
Las tecnologías avanzadas pretenden ampliar los límites de lo que es posible en el análisis de baterías, contribuyendo al mismo tiempo a un mundo más ecológico.
El objetivo es explorar cómo las baterías pueden rendir mejor, durar más y ser más seguras.
Avances tecnológicos y ventajas basadas en el desarrollo de las baterías de coches y teléfonos móviles
Introducción a la química celular de las pilas
La química celular es el principio fundamental del funcionamiento y las características de rendimiento de las pilas.
Comprende una compleja interacción de procesos electroquímicos y ciencias de los materiales que forman la base del almacenamiento y la liberación de energía.
En esta interacción, los principales componentes de una pila -cátodo, ánodo, electrolito y separador- actúan de forma muy ajustada para almacenar energía eléctrica y liberarla de nuevo con eficacia.
El cátodo y el ánodo, los homólogos electroquímicos de una pila, determinan parámetros clave como el voltaje de la pila, la capacidad energética y la estabilidad del ciclo mediante sus propiedades redox dependientes del material.
Los materiales para el cátodo, como los óxidos de litio-cobalto o el fosfato de litio-hierro, y los materiales para el ánodo, como los compuestos a base de grafito y silicio, son objeto de intensa investigación para conseguir propiedades óptimas en cuanto a eficiencia energética y densidad.
El electrolito, componente esencial para la transferencia de iones entre el cátodo y el ánodo, influye significativamente en la dinámica de los iones y, por tanto, en el rendimiento global de la pila.
El desarrollo de electrolitos innovadores que garanticen una transferencia de iones eficaz y, al mismo tiempo, aumenten la estabilidad térmica y química de la pila es un área clave de investigación.
Esto incluye la investigación de formulaciones de electrolitos tanto líquidos como sólidos.
El separador, una capa microporosa que separa espacialmente el cátodo y el ánodo, es crucial para evitar cortocircuitos internos.
Su permeabilidad e integridad mecánica son cruciales para la seguridad y longevidad de la batería.
Un diseño avanzado del separador ayuda a mejorar la difusión de iones y minimiza el riesgo de desestabilización térmica.
Los últimos enfoques de investigación en tecnología de baterías, como el desarrollo de electrolitos de estado sólido y baterías de litio-azufre, pretenden ampliar los límites de las tecnologías convencionales de iones de litio.
A diferencia de las pilas de iones de litio convencionales, que utilizan electrolitos líquidos, los electrolitos en estado sólido consisten en un material sólido que aún puede conducir iones.
Estos electrolitos en estado sólido eliminan muchos de los inconvenientes de los electrolitos líquidos, como el riesgo de fugas o la inflamabilidad.
Las ventajas de los electrolitos en estado sólido incluyen
1. Mayor densidad energética: Al utilizar electrolitos en estado sólido, la pila puede almacenar más energía en una superficie menor, lo que se traduce en una mayor densidad energética.
2. Mayor seguridad: los electrolitos de estado sólido no suelen ser inflamables y, por tanto, reducen el riesgo de incendio de la batería y de embalamiento térmico.
3. Mayor duración: los electrolitos de estado sólido tienen menos probabilidades de degradarse con el tiempo, lo que se traduce en una mayor duración de la pila.
4. Tiempos de carga más rápidos: Algunos electrolitos de estado sólido permiten un movimiento más rápido de los iones, lo que puede acortar los tiempos de carga de la batería.
Análisis del cátodo mediante calorimetría diferencial de barrido
El rendimiento y la seguridad de las pilas de iones de litio dependen en gran medida de la calidad y las propiedades de sus componentes materiales.
Por tanto, la caracterización precisa de estos componentes es crucial para que las pilas sean más eficaces, duraderas y seguras.
Los sofisticados aparatos de medición desempeñan un papel clave en este proceso de optimización.
El cátodo, el ánodo, el separador y el electrolito pueden analizarse en detalle utilizando la amplia cartera de productos LINSEIS y dispositivos como el DSC, el calorímetro o el acoplamiento con un espectrómetro de masas para obtener información detallada sobre los procesos que tienen lugar durante la carga y descarga de los materiales de almacenamiento.
Este conocimiento detallado permite la optimización específica de estos componentes, lo que puede aumentar significativamente la eficiencia, la vida útil y la seguridad de las baterías.
- Cátodo: El cátodo desempeña un papel fundamental en las pilas, ya que determina directamente la capacidad energética y, por tanto, el rendimiento de la pila.
Es el polo positivo de la pila y es el lugar donde se absorben los iones durante el proceso de descarga, lo que conduce a la liberación de energía.
- Composición del material: Los cátodos modernos están formados por diversos compuestos, como el óxido de litio y cobalto (LiCoO2), el fosfato de litio y hierro (LiFe-PO4), el óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) y otros.
- Estructura cristalina: La estructura cristalina del material del cátodo desempeña un papel decisivo en el rendimiento de la pila.
Influye en la movilidad de los iones dentro del material y, por tanto, en la velocidad de carga y descarga.
- Estabilidad electroquímica: La estabilidad electroquímica del cátodo es decisiva para la vida útil de la pila.
Los materiales con una elevada estabilidad electroquímica son menos propensos a las reacciones de reducción de la capacidad durante el ciclo de carga/descarga.
- Química superficial: La química superficial del material del cátodo puede influir en la interacción con el electrolito y, por tanto, en el rendimiento y la estabilidad de la pila.
Optimizar la química de la superficie puede ayudar a mejorar la densidad energética y la estabilidad del ciclo.
- Conductividad térmicaLa conductividad térmica del cátodo de las pilas es crucial para la gestión térmica, a fin de evitar el sobrecalentamiento y los posibles riesgos para la seguridad.
Una conductividad térmica elevada permite disipar eficazmente el calor generado durante el funcionamiento, manteniendo la temperatura estable y evitando el aumento incontrolado de la temperatura, como el desbordamiento térmico.
Por tanto, la selección de materiales y estructuras de cátodo con buena conductividad térmica es crucial para el rendimiento y la seguridad de los sistemas de baterías.
Análisis TGA del fosfato de hierro y litio (LiFePO4) para caracterizar el cátodo
Un ejemplo sorprendente del uso de la TGA es la investigación del fosfato de hierro y litio (LiFePO4), un material catódico muy utilizado en las baterías de iones de litio.
El LiFePO4 es conocido por su gran estabilidad térmica y su seguridad.
En el análisis TGA, una muestra de LiFePO4 se calienta de forma controlada para evaluar su estabilidad térmica y su composición.
Durante el proceso de calentamiento, se miden con precisión los cambios en el peso de la muestra para obtener información sobre los procesos de descomposición térmica.
Estos datos son cruciales para comprender las propiedades térmicas del material, lo que es de gran importancia para aplicaciones en ámbitos como la electromovilidad o el almacenamiento estacionario de energía.
Los resultados del TGA proporcionan información importante sobre la estabilidad del material del cátodo en condiciones de funcionamiento.
Por ejemplo, analizando las temperaturas de descomposición del LiFePO4, se pueden extraer conclusiones sobre la vida útil y la seguridad de la batería en distintas condiciones de funcionamiento.
Esto permite una optimización específica de la composición del material y del diseño de la célula para mejorar el rendimiento global y la seguridad de la batería.
La caracterización precisa de los materiales catódicos mediante análisis termogravimétricos es, por tanto, un paso indispensable para aumentar el rendimiento y la seguridad de las baterías de iones de litio.
Estos análisis contribuyen significativamente al desarrollo y la optimización de esta tecnología clave.
- Ánodo: En las pilas, el ánodo actúa como polo negativo y es responsable en gran medida de la velocidad de carga y la capacidad de la pila.
Durante el proceso de carga, los iones del cátodo se almacenan en el ánodo, por lo que éste desempeña un papel clave en el almacenamiento y liberación de dichos iones.
- Selección del material: Tradicionalmente, el grafito se ha utilizado como material anódico debido a su capacidad para almacenar iones de forma eficiente.
Sin embargo, investigaciones recientes están explorando materiales alternativos como el silicio, el titanato de litio y diversos nanomateriales de carbono que pueden ofrecer mayor capacidad y velocidades de carga más rápidas.
- Estructura superficial y porosidad: La microestructura y la porosidad de los materiales del ánodo son cruciales para el almacenamiento de iones.
Una estructura optimizada permite una movilidad eficiente de los iones y contribuye a una mayor capacidad de carga.
- Estabilidad electroquímica: La estabilidad de los materiales del ánodo durante los ciclos de carga/descarga es esencial para la vida útil de la pila.
Los materiales resistentes a la degradación electroquímica mejoran la estabilidad del ciclo de la pila.
- Interacción con el electrolito: La interacción química entre el material del ánodo y el electrolito influye en el rendimiento de la pila.
Una compatibilidad optimizada reduce las reacciones secundarias no deseadas que pueden provocar una reducción de la capacidad.
Análisis STA de materiales de ánodo de grafito
Un ejemplo concreto de aplicación de la STA es la investigación de materiales de ánodo de grafito.
El grafito se utiliza a menudo en las baterías de iones de litio y es conocido por su capacidad para almacenar iones de litio de forma eficiente.
En STA, el material del ánodo de grafito se somete al análisis térmico diferencial(ATD) y a la termogravimetría (TGA) al mismo tiempo.
Este análisis combinado proporciona información valiosa sobre las reacciones térmicas y de cambio de masa del material durante el calentamiento.
El componente DTA mide el flujo de calor para identificar eventos endotérmicos y exotérmicos, mientras que el TGA registra la pérdida de peso del material, lo que permite sacar conclusiones sobre las temperaturas y los procesos de descomposición.
Este análisis exhaustivo puede proporcionar información crítica sobre la estabilidad del material del ánodo en distintas condiciones de funcionamiento.
Por ejemplo, identificar la temperatura a la que el grafito empieza a oxidarse permite optimizar el sistema de gestión de la batería para evitar el sobrecalentamiento y aumentar su vida útil.
Además, analizando la expansión y contracción térmicas del grafito durante la intercalación de iones de litio, se puede comprender mejor la estabilidad estructural del material y su influencia en la estabilidad del ciclo.
La intercalación de iones de litio en el material del ánodo de grafito es un proceso en el que el litio se deposita entre las capas de grafito, dando lugar a un cambio de volumen.
Este cambio de volumen puede determinarse con precisión mediante dilatometría, un método para medir el cambio de longitud de los materiales en función de la temperatura.
Un dilatómetro es el dispositivo de medición que registra la expansión y contracción térmicas del grafito durante la intercalación del litio y, por tanto, proporciona información sobre la estabilidad estructural del material del ánodo.
El uso del análisis térmico simultáneo para analizar los materiales de los ánodos es también un paso esencial para aumentar la eficacia y la vida útil de las pilas de iones de litio.
Estos análisis en profundidad son cruciales para desarrollar materiales optimizados para los requisitos de las modernas tecnologías de baterías.
- Separador: En las pilas, el separador cumple una función de seguridad crucial, sobre todo en lo que se refiere al riesgo de cortocircuitos y escapes térmicos.
Es una membrana microporosa que se coloca entre el cátodo y el ánodo para evitar el contacto directo y, por tanto, los cortocircuitos eléctricos entre los electrodos.
Al mismo tiempo, permite el flujo de iones entre el cátodo y el ánodo durante el ciclo de carga y descarga.
- Permeabilidad iónica: El separador debe tener una permeabilidad iónica elevada para permitir una transferencia iónica eficaz.
Esto es crucial para el rendimiento global de la pila.
- Estabilidad térmica y mecánica: El separador debe ser estable térmica y mecánicamente en las condiciones de funcionamiento de la batería.
Una estabilidad térmica insuficiente puede provocar la fusión del separador y, por tanto, un cortocircuito, lo que representa un alto riesgo para la seguridad.
- Recubrimientos cerámicos: Los separadores modernos suelen estar recubiertos de partículas cerámicas para mejorar la estabilidad térmica.
Estos revestimientos aumentan la integridad de la masa fundida y la robustez mecánica del separador, especialmente a altas temperaturas, lo que aumenta significativamente la seguridad de la batería.
La integridad de la masa fundida de un separador de batería puede analizarse con un analizador termomecánico (TMA) para garantizar que el separador no falla mecánicamente ni se rompe, lo que puede provocar el desbordamiento térmico de la batería.
- Métodos de análisis: Para evaluar las propiedades de los separadores se utiliza un método de medición electromecánico.
Estos métodos pueden proporcionar información sobre el cambio de tamaño del separador en distintas condiciones de funcionamiento y la temperatura a la que empieza a fallar el separador.
- Papel en la prevención del desbordamiento térmico: Un separador eficaz y seguro es crucial para minimizar el riesgo de desbordamiento térmico.
Debe mantener un efecto barrera suficiente incluso cuando la batería esté expuesta a temperaturas extremas.
Medición TMA de membranas separadoras recubiertas
Un ejemplo relevante de la aplicación del análisis termomecánico (AMT) es la investigación de las membranas separadoras recubiertas con partículas cerámicas.
Este recubrimiento puede aumentar significativamente la seguridad de las baterías al mejorar la integridad de fusión y la robustez mecánica del separador por encima de su punto de fusión.
El análisis termomecánico (TMA) de los separadores de baterías consiste principalmente en medir la reacción física del material a los cambios relacionados con la temperatura.
Las variables clave que se miden aquí son la expansión o contracción (alargamiento o encogimiento) del material del separador en función de la temperatura.
La medición TMA incluye los siguientes aspectos:
- Medición de los coeficientes de dilatación: La TMA mide cómo cambia físicamente la membrana del separador en condiciones de temperatura controlada.
Esto incluye la expansión o contracción lineal del material con los cambios de temperatura, lo que proporciona información sobre los coeficientes de expansión térmica. - Evaluación de la integridad mecánica: Medir el alargamiento o la contracción del separador a diferentes temperaturas permite evaluar su integridad mecánica.
Esto es crucial para comprender cómo reacciona el separador en las condiciones térmicas de funcionamiento de la batería. - Determinación del punto de fusión: Además de la dilatación, el TMA también puede utilizarse para determinar el punto de fusión del material del separador.
El punto de fusión es una temperatura crítica a la que el separador empieza a perder su integridad estructural, lo que puede entrañar riesgos para la seguridad.
- Electrolito: En las pilas, el electrolito es un elemento clave, esencial para el transporte de iones entre el cátodo y el ánodo.
En el caso más común, consiste en una solución de sal de litio en un disolvente orgánico y permite el movimiento de los iones de litio durante el proceso de carga y descarga de la pila.
- Conductividad iónica: La conductividad del electrolito es crucial para la eficacia de la transferencia de iones entre los electrodos.
Una conductividad iónica elevada permite una carga y descarga rápidas de la pila y mejora el rendimiento general.
- Composición química: La composición química del electrolito, en particular el tipo de sal de litio y de disolvente, influye en las propiedades electroquímicas de la pila.
La elección de los componentes influye directamente en factores como la tensión de funcionamiento, la estabilidad térmica y la seguridad de la pila.
- Estabilidad electroquímica: El electrolito debe ser electroquímicamente estable para evitar la descomposición a los voltajes de funcionamiento de la pila.
Una composición inestable del electrolito puede provocar reacciones secundarias indeseables que mermen el rendimiento y la vida útil de la pila.
- Interacción con los materiales del electrodo: La interacción del electrolito con los materiales del electrodo es crucial para la estabilidad a largo plazo de la pila.
Una interacción óptima minimiza la formación de capas superficiales dañinas en los electrodos, lo que se conoce como «interfase electrolítica sólida» (SEI).
- Estabilidad térmica: La estabilidad térmica del electrolito de una batería es un factor crítico que influye significativamente en la seguridad de funcionamiento y el rendimiento de las baterías.
Una elevada estabilidad térmica del electrolito garantiza que se mantenga la integridad química del electrolito y, por tanto, la conductividad iónica, incluso con temperaturas de funcionamiento crecientes o cargas térmicas externas.
La medición de la estabilidad térmica, realizada normalmente mediante un calorímetro diferencial de barrido dinámico (DSC) o un análisis termogravimétrico (TGA), permite identificar los límites de temperatura dentro de los cuales el electrolito es estable y no libera productos de descomposición peligrosos.
Esto es esencial para minimizar los riesgos de seguridad, como el desbordamiento térmico, y para garantizar un entorno operativo seguro para la batería.
Medición TGA-MS de electrolitos
Un ejemplo concreto de la aplicación del TGA es la investigación de la estabilidad térmica y la composición de los electrolitos en las baterías de iones de litio.
En esta medición, el electrolito se expone a un aumento controlado de la temperatura para analizar su descomposición térmica y la pérdida de peso resultante.
Estos datos son especialmente útiles para comprender la estabilidad del electrolito en diferentes condiciones de funcionamiento.
Por ejemplo, la temperatura de descomposición del electrolito puede proporcionar información sobre las temperaturas a las que la batería puede funcionar con seguridad sin riesgo de degradación térmica del electrolito.
La degradación térmica del electrolito es un proceso en el que el electrolito se descompone bajo la influencia de altas temperaturas.
Esto puede ser crítico por varias razones:
1. Temperatura de descomposición: Determinar la temperatura de descomposición del electrolito proporciona información sobre las temperaturas a las que la batería puede funcionar con seguridad.
La temperatura de descomposición es el umbral a partir del cual el electrolito empieza a cambiar químicamente y a degradarse.
2. Riesgo de degradación térmica: Si se supera la temperatura de descomposición, el electrolito puede volverse inestable y sufrir reacciones químicas que perjudiquen el rendimiento y la seguridad de la pila.
Esto también puede provocar la formación de gases y un aumento potencial de la presión dentro de la célula de la pila.
3. Efectos sobre el rendimiento de la batería: La degradación térmica del electrolito puede provocar una reducción de la conductividad iónica y, por tanto, una menor eficacia de la batería.
Además, la degradación del electrolito puede dar lugar a la formación de productos nocivos que afectan a las superficies de los electrodos.
4 Aspectos de seguridad: La estabilidad térmica del electrolito es crucial para la seguridad general de la batería.
La degradación térmica puede aumentar el riesgo de embalamiento térmico, especialmente si reacciona con otros componentes de la batería.
Además, el TGA-MS puede utilizarse para determinar la composición del electrolito, incluido el contenido de disolventes y otros aditivos.
Esta información es crucial para optimizar las propiedades de transporte de iones del electrolito, lo que a su vez puede influir positivamente en la eficacia y la vida útil de la pila.
La caracterización precisa del electrolito mediante el análisis termogravimétrico proporciona hallazgos esenciales para el desarrollo de baterías más potentes y seguras.
Los datos obtenidos de estos análisis permiten una optimización específica de los componentes de la batería, lo que conduce a una mejora del rendimiento global de la misma.
Cada uno de estos componentes contribuye significativamente al rendimiento general y a la seguridad de una batería de iones de litio.
La caracterización precisa mediante los dispositivos de medición de Linseis permite la optimización específica de estos componentes, lo que puede aumentar significativamente la eficacia, la vida útil y la seguridad de las baterías.
Prevención del desbordamiento térmico: la seguridad ante todo
El desbordamiento térmico, un aumento incontrolado de la temperatura en las pilas, puede provocar graves problemas de seguridad.
Los analizadores utilizados para investigar la estabilidad térmica y mecánica de los materiales de las pilas son cruciales para minimizar los riesgos de un suceso de este tipo.
Proporcionan información precisa sobre la estabilidad térmica de los materiales de las baterías y ayudan a identificar posibles fuentes de peligro.
El desbordamiento térmico se produce cuando la temperatura en el interior de una pila alcanza un punto en el que el calor generado es mayor que el calor emitido.
Esto puede provocar una reacción en cadena que destruya la batería o incluso provoque incendios.
Es importante comprender las causas del desbordamiento térmico y tomar las medidas adecuadas para minimizar el riesgo.
- Detección precoz con DSC y TGA: La detección precoz de las condiciones que podrían provocar un desbocamiento térmico es crucial.
Instrumentos como el Calorímetro diferencial de barrido (DSC) y el análisis termogravimétrico (TGA) proporcionan datos importantes sobre el comportamiento térmico de los materiales de las pilas.
Ayudan a identificar los rangos de temperatura críticos en los que los materiales se vuelven inestables.
- Analizar las causas: Analizar las causas de una fuga térmica implica investigar la composición de los materiales, la estabilidad de los electrolitos y las reacciones internas de la célula.
Estos análisis proporcionan información valiosa para identificar posibles factores de riesgo y desarrollar contramedidas adecuadas.
- Evaluación de la seguridad: Al medir la generación y la gestión del calor, los instrumentos pueden evaluar los niveles de seguridad de las baterías.
Esto es especialmente importante en el desarrollo de baterías para aplicaciones de alto rendimiento, como vehículos eléctricos o sistemas de almacenamiento de energía.
- Optimización de materiales: los resultados del análisis apoyan la selección y el desarrollo de materiales menos susceptibles al desbordamiento térmico.
Esto contribuye a mejorar la seguridad general, la disipación optimizada del calor de la célula de la batería y la fiabilidad de ésta.
- Optimización de los electrolitos: La optimización de la composición del electrolito es otro aspecto importante que se apoya en instrumentos precisos.
Una formulación mejorada del electrolito basada en datos analíticos puede ayudar a aumentar la estabilidad térmica dentro de la célula, lo que a su vez aumenta la seguridad de la batería.
- Optimizar el diseño de la célula: Optimizar el diseño de la célula para evitar el desbordamiento térmico requiere una gestión térmica integrada basada en una cuidadosa selección de materiales que regulen eficazmente la disipación y absorción del calor.
Para evitar una generación excesiva de calor, es crucial seleccionar científicamente materiales anódicos y catódicos con conductividades térmicas elevadas, así como separadores y electrolitos térmicamente estables.
Además, los mecanismos avanzados de refrigeración y los materiales aislantes contribuyen a la distribución del calor y al aislamiento, evitando el sobrecalentamiento local y homogeneizando la temperatura de la célula.
Un diseño de célula bien pensado que tenga en cuenta estos componentes contribuye significativamente a aumentar la seguridad de la batería y a minimizar el riesgo de embalamiento térmico.
- Medidas preventivas mediante la caracterización de los materiales: La aplicación de medidas preventivas basadas en los resultados de los análisis es un paso decisivo para minimizar el riesgo de fuga térmica.
Esto incluye la optimización del diseño de la célula, la mejora del sistema de gestión de la batería y el desarrollo de mecanismos de seguridad.
Gestión térmica: minimización de riesgos y gestión térmica optimizada para una mayor vida útil y eficiencia
La regulación eficaz de la temperatura de funcionamiento es un factor decisivo para el rendimiento y la longevidad de las baterías.
Ayuda a minimizar la degradación de los componentes de la batería y a prolongar su vida útil.
Las baterías de iones de litio se han establecido como el estándar para la electrónica portátil, los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía, debido principalmente a su alta densidad energética y estabilidad del ciclo de carga.
La temperatura de funcionamiento es crucial para la eficacia y longevidad de estas pilas, y la temperatura óptima oscila entre unos 15 °C y 35 °C.
Las temperaturas superiores a este intervalo aceleran la degradación química, aumentan el riesgo de embalamiento térmico y pueden provocar una pérdida permanente de capacidad.
En cambio, las temperaturas demasiado bajas perjudican la difusión de los iones y aumentan la resistencia interna, lo que reduce el rendimiento de la pila y aumenta el riesgo de que el litio se recubra durante la carga.
Por tanto, mantener una temperatura de funcionamiento adecuada es esencial para garantizar el máximo rendimiento, seguridad y vida útil de la batería.
Diversos métodos de gestión térmica, como la refrigeración activa o la refrigeración líquida indirecta, son cruciales para mantener la temperatura de funcionamiento en el rango óptimo y garantizar así el rendimiento y la seguridad de las baterías de iones de litio.
Complejidad de la gestión térmica en las tecnologías de baterías
- La gestión térmica en los sistemas de baterías modernos desempeña un papel decisivo en el rendimiento, la seguridad y la vida útil.
Implica la regulación precisa de las condiciones internas de temperatura para garantizar una funcionalidad óptima.
- Un aumento incontrolado de la temperatura puede provocar daños irreversibles debidos a la degradación química, mientras que las temperaturas demasiado bajas pueden perjudicar la conductividad iónica y, por tanto, el rendimiento de la pila.
- Una gestión térmica equilibrada no sólo garantiza la eficiencia, sino también la longevidad y la seguridad de las baterías, especialmente en aplicaciones de alto rendimiento como los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía.
Instrumentos analíticos para las propiedades de transferencia de calor
- Para analizar las propiedades térmicas de los materiales de las pilas se utilizan instrumentos analíticos avanzados.
El Analizador de Flash Láser (ALF), el Puente Caliente Transitorio (THB) y el Calentamiento Periódico por Láser (PLH).
- El LFA permite medir la conductividad y la difusividad térmicas, que son cruciales para la transferencia de calor dentro de los componentes de la batería.
- El Puente Caliente Transitorio (THB) amplía el espectro del análisis térmico midiendo la conductividad térmica y la resistencia térmica de los materiales de la batería en condiciones reales de funcionamiento.
- El calentamiento periódico por láser (PLH) es un método innovador para la caracterización rápida y precisa de la conductividad térmica y la capacidad calorífica específica.
Es esencial para un análisis térmico preciso y para el desarrollo de materiales para pilas con propiedades térmicas superiores.
Importancia del comprobador TIM para una transferencia de calor eficaz
- El comprobador de materiales de interfaz térmica (TIM) está especializado en la evaluación de los materiales utilizados en las interfaces entre las celdas de la batería y los componentes de refrigeración.
También puede medir la impedancia térmica, lo que permite optimizar la gestión térmica de los conjuntos de celdas. - Mide con precisión la conductividad térmica y la resistencia térmica de estos materiales para garantizar una transferencia óptima del calor de las pilas a la carcasa o al disipador de calor.
- Los materiales de interfaz eficientes, identificados y optimizados por el comprobador TIM, son esenciales para evitar el sobrecalentamiento de las celdas y contribuyen significativamente a mejorar el rendimiento general de la batería.
Visualización e interpretación de datos térmicos
- La visualización de los datos obtenidos de estos análisis permite una interpretación en profundidad de las propiedades térmicas de los materiales de las pilas.
- Los diagramas que muestran la conductividad térmica o la capacidad calorífica específica en diferentes rangos de temperatura proporcionan una visión completa de la gestión térmica de las pilas.
Una gestión térmica eficaz, respaldada por mediciones y análisis precisos de los instrumentos de Linseis, es esencial para maximizar el rendimiento, la seguridad y la vida útil de las baterías modernas.
Mediante la innovación continua en este campo, contribuimos a mejorar aún más la fiabilidad y la eficacia de la tecnología de las pilas.
La figura muestra una medición en la que se realizaron las pruebas de la batería LFA con un material de cátodo de Na-ion.
La difusividad térmica y la conductividad térmica alcanzan un máximo a unos 90 °C y luego disminuyen de forma relativamente brusca.
Estabilidad térmica: un factor clave para unas pilas fiables
La estabilidad térmica de los materiales de las baterías es un factor crucial para la seguridad y fiabilidad de las baterías de iones de litio.
Los equipos de medición de última generación de Linseis desempeñan un papel fundamental en la evaluación y mejora de esta importante propiedad.
La capacidad de evaluar con precisión la estabilidad térmica de los materiales de las baterías es fundamental para garantizar que las baterías modernas cumplan los elevados requisitos de seguridad y rendimiento.
Los dispositivos de medición de Linseis proporcionan la precisión y fiabilidad necesarias para evaluar exhaustivamente esta importante propiedad.
La siguiente figura muestra una curva de medición DSC de un electrolito sólido cerámico que se utiliza en las pilas de estado sólido y permite fabricar pilas de alta energía más seguras.
Se requiere un tratamiento térmico a alta temperatura para unir el electrolito, los electrodos y otros componentes, como los colectores de corriente.
Caracterización de dispositivos – Precisión en la investigación de baterías con el calorímetro de baterías
Un calorímetro de batería es un dispositivo para medir el calor generado por una batería durante la carga y la descarga.
Esta medida se conoce como «calor de reacción» y es un indicador importante del rendimiento de una batería.
El calor de reacción es la diferencia entre la entalpía (contenido de calor) de los reactantes y los productos de una reacción química.
Los calorímetros para baterías se utilizan en investigación y desarrollo para evaluar nuevas químicas de baterías y optimizar el diseño de las existentes.
También se utilizan en el proceso de fabricación para garantizar que las baterías cumplen las normas de rendimiento y seguridad.
Para el control térmico de las baterías, Linseis ofrece un calorímetro modular (IBC) para el control térmico de las baterías.
Consta de un número variable de componentes casi idénticos y permite analizar una amplia gama de tamaños de celdas de batería.
La geometría de los módulos también es fácilmente escalable.
Importancia del calorímetro de batería: El calorímetro de batería mide la cantidad de calor generado durante las reacciones electroquímicas dentro de la batería.
Estas mediciones son cruciales para comprender y mejorar el comportamiento térmico y la eficiencia de las baterías.
Ámbitos de aplicación: Estos dispositivos son especialmente importantes para el desarrollo de nuevos tipos de pilas, como las de iones de litio, en las que la estabilidad térmica y la seguridad son de vital importancia.
También se utilizan en el control de calidad y las pruebas de rendimiento de las pilas.
Análisis térmico y seguridad: Al analizar el desarrollo de calor en distintas condiciones de funcionamiento, los calorímetros de batería ayudan a identificar y prevenir posibles riesgos de seguridad, como el desbordamiento térmico.
Esto es crucial para la seguridad de los productos destinados al usuario final.
Optimización del rendimiento de la batería: La medición precisa de la generación de calor permite optimizar la química interna y el diseño de la batería, lo que se traduce en un aumento de la densidad energética, una mejora de la capacidad de carga y una mayor vida útil.
Investigación y desarrollo: Los calorímetros para baterías se utilizan en laboratorios de investigación y desarrollo para probar y evaluar nuevos materiales y tecnologías.
Los resultados obtenidos son esenciales para el progreso de la tecnología de las baterías.
Desarrollado conjuntamente con el Physikalisch-Technische Bundesanstalt:
