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.
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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.
Neste vídeo, explicamos como as propriedades estruturais dos separadores e coletores de corrente e as forças aplicadas durante a produção da célula afetam o desempenho da bateria.
Durante a produção de células de bateria, tanto o separador quanto o coletor de corrente são submetidos a forças significativas de tensão e torção que podem esticar ou romper o material. Mostramos como usar um analisador mecânico dinâmico para obter informações sobre as propriedades estruturais e quanta força pode ser aplicada até que os separadores se quebrem ou rasguem. Tudo isso pode ser monitorado durante a aplicação de diferentes temperaturas ou níveis de umidade durante os experimentos.
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.
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