Estudio de Baterías mediante Análisis Térmico 

Se están dirigiendo considerables esfuerzos a la investigación de la batería. El objetivo es encontrar nuevos materiales que permitan una mejor energía y DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de potencia, así como un almacenamiento de energía más eficiente. Esto requiere de instrumentos sofisticados para la producción y caracterización de materiales, como los materiales del ánodo y el cátodo, separadores, electrolitos, capas límite.

Si desarrolla o produce materias primas para la industria de la batería, es posible que desee:

 

• Caracterizar nano/amorfo/ los materiales cristalinos
• Entender el comportamiento del material y la estabilidad de los materiales en función de la temperatura
• Obtener la identificación química de los gases desprendidos (reacción, Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición, desorción)
• Comprender la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica de la batería de materias primas
• Obtener transformaciones de fase, diagramas de fase
• Obtener datos de propiedad térmica para su inclusion en los programas de modelado térmico de celdas y paquetes

Una vez que nuevas materias primas han sido seleccionadas, el diseño de los electrodos conduce a preguntas relacionadas con su fabricación y uso. En NETZSCH te traemos un conjunto completo de instrumentos para caracterizar los electrodos, separadores, electrolitos.

Si usted desarrolla o produce componentes de baterías, es posible que desee:

 

• Caracterizar las propiedades termo mecánicas, tales como la contracción y pérdida de peso durante la SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización y la expansión térmica
• Caracterizar la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica del electrodo
• Medir la capacidad calorífica y Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de los electrodos de la misma porosidad
• Mejorar la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica del cátodo
• Analizar el comportamiento térmico del electrodo a alta presión
• Detectar problemas de incompatibilidad entre los componentes
• Desarrollo de métodos de garantía de calidad para fabricación y escalado de proceso

Cada aplicación tiene diferentes requisitos de rendimiento y limitaciones. No hay una sola química que sea la solución correcta para todas las aplicaciones. Se pueden requerir cambios en los componentes en función de las necesidades de los cambios de aplicación y de la aparición de nuevas tecnologías. Un sistema bien diseñado de gestión térmica es fundamental para la vida y el rendimiento de las celdas de la batería. Como dispositivos electroquímicos, el rendimiento y la vida de las baterías se ven afectados por la temperatura. Las altas temperaturas aumentan las reacciones secundarias y la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de los límites de la interfase, acortando la vida de la batería y aumentando el coste de reemplazo de la batería.

El desarrollo de sistemas de baterías calibradas con precisión está basado en mediciones precisas del calor generado por las celdas de la batería durante toda la serie de ciclos de carga/descarga, así como el comportamiento durante las pruebas de abuso.

Si usted desarrolla o produce celdas de batería, es posible que desee:

 

• Comprender el impacto del diseño de la celda en el rendimiento de la batería
• Conocer la temperatura a la cual las celdas de iones de litio o sus componentes pueden presentar una reacción fuertemente exotérmica
• Saber la cantidad de energía liberada durante una reacción, la velocidad de la reacción y los niveles de presión que surgen como resultado de de los gases de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición
• Evaluar las pruebas de penetración y de impacto en una batería

Cuando una batería está cargada o descargada, se genera y se absorbe calor. La calorimetría IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica, con respecto a los ciclos de la batería, es una manera inteligente para caracterizar el flujo de calor, y por lo tanto, para analizar el ciclo de vida de la batería. La temperatura, el porcentaje de carga/descarga y la profundidad de descarga tienen, cada uno, una gran influencia en el ciclo de vida de las celdas. Nuevos diseños de batería (elección de nuevos materiales y/o montaje de nuevos componentes) pueden ser evaluados gracias a medidas de calorimetría. El Calorímetro de Aceleración de Ratio (ARC^®), equipado con un sensor 3D, permite realizar pruebas en un modo IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico con total seguridad para el instrumento y el operador.

Si quiere analizar el rendimiento de una batería, es posible que desee:

 

• Recopilar datos precisos de la generación de calor del módulo de la batería
• Ejecutar con total seguridad una prueba de carga/descarga sin tener el riesgo de destruir el instrumento
• Entender si ha habido algún deterioro en el rendimiento original
• Obtener detalles de las prestaciones en el tiempo para evaluar los efectos de envejecimiento y ciclado
• Evaluar los cambios de diseño físico y electroquímico que podrían llevar a mejores módulos de batería

Cuando las baterías han alcanzado su fin, son recogidas para ser reacondicionadas o reutilizadas en aplicaciones menos exigentes o para ser desmontadas, reciclando cada componente. Las baterías están construidas con elementos de diferentes polímeros, óxidos, materiales metálicos. En análisis térmico es una herramienta de caracterización útil en este campo.

Si está en el negocio del reciclaje de baterías, es posible que desee:

 

• Evaluar la viabilidad de la separación física de sus principales componentes
• Evaluar la eficacia de la liberación de los diferentes componentes cuando la batería se convierte en fragmentos
• Caracterizar cada uno de los componentes de la batería cuando se fragmenta
• Caracterizar nano / amorfo / poco cristalino de los materiales reciclados
• Entender el comportamiento material de la estabilidad de los materiales reciclados en función de la temperatura

La tecnología de las baterías de iones de litio ofrece muchas ventajas en aplicaciones de energía portátil, pero una de las principales preocupaciones es la seguridad. Los desarrolladores de baterías necesitan herramientas que les permitan diseñar baterías más seguras sin comprometer el rendimiento.

Mediante un esquema del "peor escenario posible" (Fuga térmicaUn embalamiento térmico es la situación en la que un reactor químico está fuera de control con respecto a la producción de temperatura y/o presión causada por la propia reacción química. La simulación de un desbocamiento térmico suele llevarse a cabo utilizando un dispositivo calorimétrico según la calorimetría de tasa acelerada (ARC).fuga térmica), la calorimetría adiabática puede proporcionar muchas respuestas pertinentes, incluida la temperatura a la que las células de iones de litio o sus componentes pueden presentar una reacción altamente exotérmica y la presión asociada. Con la calorimetría IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica, se puede obtener directamente información para la gestión térmica, obtenida mediante el desbordamiento térmico.

Si desarrolla o produce materias primas para baterías, diseña celdas y paquetes de baterías, es posible que desee:

• Investigar el desbordamiento térmico de la batería tanto en situaciones normales como abusivas
• Analizar la presión generada cuando la célula de la batería explota en el calorímetro
• Comprender a qué temperatura se produce un cortocircuito interno debido a la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de los componentes individuales
• Comprender qué ocurre química y térmicamente cuando los cortocircuitos internos producen puntos calientes dentro de la célula
• Diseñar células que disminuyan la probabilidad de crecimiento de puntos calientes y el consumo de la célula
• Diseñar, select, o especificar dispositivos de seguridad térmica (por ejemplo, venteo, CID, PTC) basados en datos de temperatura y presión dentro de una célula durante la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica y conocer la eficacia de estos dispositivos para mitigar las consecuencias de los fallos
• Clasificar las celdas individuales en función de sus riesgos y peligros potenciales
• Ejecutar con total seguridad una prueba IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica de carga/descarga sin riesgo de destruir el instrumento
• Reducir la probabilidad de una reacción en cadena de fallos de células debido al transporte de calor entre células contiguas

Nuestras recomendaciones del Libro Blanco para usted:

• Libro Blanco: Battery Safety (thermal runaway) - Adiabatic Calorimetry for advances battery testing (versión en inglés)
• Libro Blanco: Ciclado de baterías - Calorimetría isotérmica para pruebas avanzadas de baterías (versión en inglés)