A pesquisa, desenvolvimento e utilização de baterias de íons de lítio é um dos segmentos industriais que mais cresce no mundo. Numerosos produtos, incluindo marcapassos, drones, carros e agora até aviões, dependem de baterias para alimentação. Garantir que as baterias sejam seguras, potentes e confiáveis é mais crítico do que nunca.
Entretanto, a segurança, o desempenho e a vida útil de uma bateria só serão tão bons quanto os materiais que a compõem. Especificamente, os eletrodos, o separador e o eletrólito precisam ser totalmente caracterizados e monitorados desde o momento em que entram nas instalações de produção até que sejam incorporados ao produto final.
Os parâmetros que devem ser medidos incluem: área de superfície do eletrodo, estrutura do cristal, tamanho da partícula e do cristalito, tamanho do poro, fluxo da pasta do eletrodo e propriedades de cura, pureza química das matérias primas, tamanho do poro do separador e propriedades da estrutura, viscosidade do eletrólito, densidade e ponto de fulgor.
Explore o “Guia de Campo para Caracterização de Materiais de Baterias”, Atualizado com Novas Tecnologias e Aplicações
Nosso e-book explica como caracterizar os materiais essenciais das baterias de íons de lítio, tais como eletrodos, polpas abrasivas, separadores, eletrólitos e células de bateria, em cada etapa do seu processo de produção - de modo que suas baterias superem a concorrência.
Os Especialistas em Baterias da Anton Paar fornecem uma visão geral das técnicas de caracterização mais comuns usadas em P&D e fabricação de baterias de íon-lítio. Nesta série de vídeos, um especialista em baterias da Anton Paar abordará uma série de tópicos relacionados a como caracterizar as propriedades físicas dos materiais das baterias durante a fabricação.
In this video, we present a comprehensive guide to analyzing the particle size and shape of battery electrode materials. We cover particle sizing through the application of dynamic light scattering (DLS), laser diffraction, and dynamic image analysis (DIA). These versatile technologies empower you to precisely measure particles across a broad spectrum of size ranges. Furthermore, you will gain a deeper understanding of the pivotal role played by particle size in influencing the diffusion of lithium-ions and how particle shape significantly impacts the homogeneity of the battery slurry.
Material do eletrodo sólido
Os eletrodos (cátodos e ânodos) das baterias de íons de lítio desempenham um papel fundamental na transferência de íons e, portanto, são cruciais para a transferência eficiente de energia. Estes eletrodos consistem em materiais particulados compactados. Tanto a composição química quanto as características físicas destes materiais influenciarão criticamente o desempenho, o ciclo de vida e a segurança da bateria, o que, por sua vez, orientará a otimização do projeto da bateria para seu uso pretendido. As propriedades físicas do material do eletrodo, como a área de superfície, tamanho da partícula, tamanho e forma do cristalito e tamanho do poro, têm um efeito direto na troca de carga dentro de uma única célula. Outros atributos físicos, como estrutura cristalina, densidades sólidas e esqueléticas e potencial zeta das partículas do material do eletrodo, desempenham um papel fundamental na condutividade interna da bateria. E a durabilidade da bateria será correlacionada não apenas à qualidade do revestimento do eletrodo, mas à sua aderência ao próprio eletrodo. Isto pode ser avaliado com exatidão através de testes de arranhões quantificáveis. Outro passo fundamental no desenvolvimento de materiais de eletrodos é testar a contaminação por metais pesados. A digestão ácida por micro-ondas é a etapa inicial do preparo da amostra para a análise de metais pesados. Com métodos como XRD ou SAXS, também é possível caracterizar as propriedades dos materiais de eletrodos em operação em conjuntos completos de baterias, a fim de monitorar as mudanças durante o processo de carga e descarga.
Polpas abrasivas de eletrodos
O projeto e desenvolvimento adequado dos processos de mistura e revestimento do ânodo e da polpa catódica é uma parte essencial do desempenho da bateria. O conhecimento de parâmetros como densidade, viscosidade, viscoelasticidade e comportamento tixotrópico da polpa fornece informações para determinar e controlar a composição e consistência. Durante a mistura, a agitação desnecessária pode assim ser evitada determinando o tempo, a velocidade e a temperatura necessários para alcançar a homogeneidade. Quando se trata de escolher uma bomba apropriada ou ajustar a formulação para uma melhor capacidade de bombeamento, as viscosidades dependentes da taxa de cisalhamento e o ponto de rendimento têm que ser investigados. O bom nivelamento da superfície durante o processo de revestimento pode ser monitorado medindo a recuperação estrutural.
A lama que está sendo armazenada não deve sedimentar e deve manter sua homogeneidade, que é adquirida por meio de testes de viscoelasticidade e medições de potencial zeta. Além disso, a área da superfície das partículas de polpa está diretamente relacionada à sua formulação e comportamento, e conhecer este parâmetro ajuda a reduzir os custos de material e garantir uma qualidade consistente.
Separadores e coletores de corrente
O separador em uma bateria de íons de lítio é uma fina membrana porosa que desempenha um papel fundamental na função da bateria, impedindo um curto-circuito entre o ânodo e o cátodo e, ao mesmo tempo, permitindo o fluxo de íons entre eles. Os separadores precisam ser mecanicamente robustos, estáveis sob condições de bateria ativa e inertes a outros materiais celulares - mas ainda assim ser porosos o suficiente para permitir o transporte de íons. O tamanho do poro de passagem do separador é um parâmetro-chave para garantir o ótimo desempenho da bateria. Os poros devem ser suficientemente pequenos para evitar a formação de dendritos através do separador e causar um curto-circuito, mas suficientemente grandes para facilitar o fluxo de íons entre o cátodo e o ânodo. Além disso, poros maiores ou furos de pinos devem ser peneirados e evitados porque podem levar a curto-circuitos. Outro parâmetro fundamental para os separadores é sua resistência mecânica e suas propriedades estruturais. Especificamente, medir quanta pré-tensão do separador é fundamental para evitar rupturas ou rasgos durante a montagem, assim como a flacidez após a montagem.
Eletrólitos
O eletrólito em baterias de íons de lítio desempenha um papel fundamental na função da bateria, permitindo a transferência de carga entre o ânodo e o cátodo. O eletrólito também estabiliza as superfícies do cátodo e do ânodo e prolonga a vida útil da bateria. A caracterização completa das propriedades físicas do eletrólito, especificamente a densidade e a viscosidade, são cruciais para garantir a condutividade, umedecimento e enchimento adequados. A viscosidade de uma solução eletrolítica desempenha um papel crítico na saída de energia da bateria, bem como na otimização do processo de preenchimento na bateria. A qualidade do solvente eletrolítico, bem como a dissolução e concentração de sal, também são fatores-chave no desempenho da bateria. As medições de densidade e índice de refração de uma solução eletrolítica são um método rápido e exato de controle de qualidade para garantir a qualidade adequada do solvente, bem como a dissolução e concentração de sal. Outro aspecto crítico dos eletrólitos de íons de lítio é seu ponto de fulgor; a medição exata deste parâmetro é fundamental para garantir a segurança térmica das baterias.
Fabricação e manutenção de baterias de chumbo ácido
Para produzir, fazer manutenção ou consertar baterias de chumbo ácido, você precisa saber a concentração de ácido sulfúrico na bateria e também o nível de carga.
Produção e pesquisa de célula de combustível de hidrogênio
Para alcançar o melhor desempenho de célula de combustível, é necessário entender as propriedades físico-químicas dos seus componentes ativos e projetá-las para maior aproveitamento. A Anton Paar possui a tecnologia necessária para otimizar cada componente.
