Introducción
El mercado de baterías está creciendo rápidamente. La mayor demanda de dispositivos electrónicos portátiles, incluidos los teléfonos móviles y portátiles, ha requerido de grandes avances en la tecnología de baterías para ofrecer fuentes de alimentación livianas, duraderas y estables. La tecnología de baterías también se está impulsando aún más en las aplicaciones de vehículos eléctricos, que requieren baterías de menor peso, una mayor potencia y carga más rápida.
Tanto las baterías primarias (desechables) como las secundarias (recargables) utilizan una amplia gama de materiales para lograr la densidad de energía requerida a un costo razonable. Dentro de esto, un aspecto importante en el diseño de la batería es el tamaño de las partículas de los materiales utilizados dentro de los electrodos, ya que esto ayuda a definir la potencia y la capacidad de la batería. En esta nota de aplicación, hemos investigado algunos de los materiales más comunes utilizados en la producción de baterías y cómo se puede reducir el tamaño de las partículas de estos utilizando la técnica de difracción láser.
Requisitos de tamaño de partículas
El rendimiento de una batería se puede caracterizar según la cantidad de energía que puede almacenar o la cantidad de potencia que puede producir. Para una celda química y un tamaño de batería en particular, el rendimiento se puede optimizar para alta energía, capacidad o alta potencia [2]. La potencia de una batería o su capacidad de manejo actual depende de la velocidad de la reacción entre los electrodos y el electrolito. Esto se ve afectado por la distribución del tamaño de las partículas del material del electrodo, ya que esto define la superficie disponible. La potencia máxima de la batería se puede aumentar disminuyendo el tamaño de las partículas del material del electrodo es decir aumentando el área de superficial.
Sin embargo, la capacidad de almacenamiento de energía de una batería depende del volumen de electrolito contenido en la celda. Para ello tiene que haber un equilibrio entre el espacio ocupado por los electrodos y el electrolito. Reducir el tamaño de las partículas del material del electrodo aumentará la superficie; sin embargo, también afectará el tamaño de los huecos existentes entre las partículas del electrodo , provocando una reducción del volumen total de electrolito y por consiguiente la capacidad de la batería. Si estos espacios vacíos se vuelven demasiado pequeños también se reduce el contacto entre las superficies de contacto entre los electrodos y el electrolito. Por consiguiente podría reducir la movilidad iónica dentro de la batería, afectando la velocidad de reacción y reduciendo la energía de la batería. Para evitarlo es necesario utilizar una mezcla de partículas gruesas y finas, que ocuparan los espacios vacíos entre partículas.
A menudo se utiliza en la fabricación de los electrodos material fino para aumentar la superficie, al mismo tiempo que se controla la fracción de empaquetamiento total del material del electrodo. Esto permite un buen contacto entre el electrodo y el electrolito [4,5].
El tamaño y la distribución de las partículas también son importantes durante la producción, ya que afectarán la densidad de empaquetamiento y afectarán su compresibilidad. Ambos son parámetros importantes en la producción de baterías alcalinas donde el cátodo se comprime y moldea. La detección de aglomerados es importante, ya que estos pueden afectar la calidad de la superficie cátodo.
Medición del tamaño de partículas
La información del tamaño de las partículas se obtuvo mediante difracción láser. El Mastersizer es un instrumento de difracción láser con una rango dinámico de 0,01 μm a 3500 μm. Las partículas, que están suspendidas en líquido o aire, pasan a través del haz láser y su luz es disperas, la cual es colectada por detectores ubicados en una variedad de diferentes ángulos. La información sobre el tamaño de las partículas se puede obtener mediante este método, basado en el principio de que las partículas grandes dispersan la luz en ángulos pequeños y las partículas pequeñas dispersan la luz en ángulos grandes. Para obtener la distribución de tamaño de las partículas a partir de la energía recolectada por los detectores, se utiliza modelo matemático determinado.
El amplio rango de tamaños del Mastersizer es particularmente útil en la medición de materiales de baterías, ya que permite caracterizar Mezclas de partículas de tamaño nanométrico y micrométrico en una sola medición, que a menudo se utilizan en la fabricación de electrodos.
En segundo lugar, como la difracción láser es sensible al volumen de partículas, será particularmente sensible a pequeñas cantidades de aglomerados que pueden causar problemas durante la producción.
Resultados
Baterías de iones de litio
Mediante el Mastersizer se han caracterizado dos componentes de las baterías de iones de litio: óxido de litio y cobalto y Fosfato de iones de litio. El óxido de litio y cobalto es un material industrial estándar que proporciona un ciclo de vida prolongado y una alta densidad de energía. Sin embargo, este material presenta desventajas medioambientales debido a la toxicidad del cobalto. Estas consideraciones medioambientales no constituyen un problema con el fosfato de hierro y litio, que tiene las ventajas adicionales de su bajo costo, mayor seguridad y velocidades de carga rápidas.
La desventaja del fosfato de litio y hierro es que ofrecen una menor densidad energética en comparación con el óxido de litio y cobalto.
Las distribuciones de tamaño de partículas tanto para el óxido de cobalto y litio como para el fosfato de hierro y litio se muestran en la Figura 1. A partir de ellas, el tamaño medio de las partículas y el ancho de distribución se pueden evaluar fácilmente. El Dv50 para la muestra de óxido de cobalto y litio es 7,7 μm, en comparación con 11,1 μm de la muestra de fosfato de hierro y litio. Las diferencias en las distribuciones de tamaño de partículas para estos
Los diferencia en el tamaño de partículas de los materiales podrían estar relacionados con la densidad de energía requerida y el tamaño de celda para cada aplicación particular.
Baterias alcalinas
El material de batería alcalina investigado en este trabajo es un material catódico: Dióxido de Manganeso Electrolítico (EMD). Tres se han medido grados de EMD, Figura 2, y cada uno muestra una mezcla de material grueso, de aproximadamente 30 μm de tamaño, y partículas finas, de alrededor de 150 nm de tamaño. Estas mezclas se utilizan para mejorar el rendimiento de la batería aumentando el Área superficial de los electrodos. Los tres grados muestran un aumento en el tamaño del modo principal de la distribución, que ocurre a 29 μm, 37,4 μm y 53,13 μm para las muestras EMD 1, 2 y 3 respectivamente. A medida que el modo principal aumenta, la superficie disminuye, pero esto se verá compensado por la presencia de partículas finas, que contribuyen más a la superficie y por lo tanto ayudan a mantener la potencia de salida.
El tamaño del modo principal puede estar relacionado con el tamaño de la batería en la que se utiliza el material. Las baterías de mayor tamaño pueden contener materiales para electrodos con un tamaño de partícula mayor, dado que el espacio en el que debe insertarse el electrodo no es tan limitado. Por lo tanto se puede conseguir una gran superficie total sin necesidad de procesar el material del cátodo hasta un tamaño de partícula más fino. Esto ofrece otras posibles ventajas también en términos de volumen de electrolitos y movilidad iónica. Por lo tanto, el EMD 1 podría utilizarse en un tamaño AA. o batería AAA, mientras que EMD 2 y 3 podrían usarse en baterías de tamaño C o D más grandes de una mayor capacidad [6].
Conclusiones
Las distribuciones de tamaño de partículas de los materiales de los electrodos en las baterías son críticas para determinar el rendimiento de una batería.
Para una química y un tamaño de celda determinados, la distribución del tamaño de partículas del material del electrodo se puede ajustar para optimizar la energía y potencia de la batería.
Para lograr un alto almacenamiento de energía, se debe maximizar el volumen del electrolito. Sin embargo, cuando se trata de entregar alta potencia, entonces la superficie del electrodo es más importante. Por lo tanto, es importante para el fabricante de baterías poder determinar fácilmente y en forma rápida la distribución del tamaño de partículas de los materiales para los electrodos.
La tecnología de difracción Laser es el método ideal para caracterizar estos materiales, ya que el amplio rango de tamaños permite caracterizar en una sola medición mezclas de Materiales con tamaño nanométricos y micrométricos . La sensibilidad al volumen también hará que la difracción láser sea una forma eficaz de detectar cualquier material sobredimensionado o aglomerado que pueda causar problemas durante la producción.
Para más información https://www.malvernpanalytical.com/en/industries/battery-and-energy-storage/
Referencias
[1] Battery materials for ultrafast charging and discharging, B Kang, G Ceder, Nature, 12 March 2009, vol 458.
[2] Cell construction, www.mpoweruk.com
[3] The Composite Effect of Nanometer MnO2 Mixed with the Electrolytic MnO2 ##MRK1412 icon 1
Yan Chao, Liu Zhuoqin, Journal of China University of GeosciencesVol 18, Issue 2, 2007,
[4] Particle-size effect of carbon powders on the discharge capacity of lithium ion batteries, Sato Y., Nakano T., Journal of Power Sources 1998, vol 75
[5] Particle size effects on temperature-dependent performance of LiCoO2 in lithium batteries, Sun Hee Choi, Ji-Won Son,
Journal of Power Sources, vol 158(2) 2006
