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Mejora del rendimiento de las baterías de iones de litio con carbones conductores

09/14/2021 por el Dr. Michael Regula y el Dr. Zachary Combs

Comercializadas por primera vez a principios de la década de 1990, las baterías de iones de litio se han convertido desde entonces en una parte integral de la vida moderna. Los dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos móviles, computadoras portátiles y herramientas eléctricas, fueron los primeros en utilizar esta tecnología. En los últimos años, el impulso para electrificar el transporte personal ha acelerado la producción de vehículos eléctricos. Las baterías para vehículos eléctricos deben lograr un rendimiento riguroso y métricas económicas, que incluyen lo siguiente:

  • Seguridad: las baterías deben poder cargarse y descargarse sin cortocircuitos ni pérdidas térmicas.
  • Densidad de energía: se necesita una alta densidad de energía para lograr un rango de conducción comparable al de un motor de combustión interna.
  • Carga rápida: se necesita una velocidad de carga rápida sin degradación del material para lograr tiempos de llenado comparables a llenar un depósito de gasolina.
  • Ciclo de vida: ofrecer un rendimiento repetible durante muchos ciclos mejora tanto la economía como la sostenibilidad de las baterías.
  • Costo: el coste de producción de un paquete de baterías debe caer por debajo de 100 $/kWh para lograr la paridad de precios con los motores de combustión interna.

El almacenamiento de carga en baterías de iones de litio se produce mediante una química única. Los materiales activos en las baterías de iones de litio suelen ser estructuras en capas. Estas estructuras en capas tienen suficiente espacio entre ellas para permitir que los iones de litio se inserten entre las capas, un mecanismo conocido como "intercalación", como se muestra a continuación. La intercalación es un proceso altamente reversible que permite que las baterías de iones de litio proporcionen una alta densidad de energía durante miles de ciclos. Las baterías de iones de litio, por lo tanto, funcionan transportando el ión de litio entre las estructuras en capas del cátodo y los materiales activos del ánodo.Energy Discharge Image

Se ha llevado a cabo un extenso desarrollo de formulación e ingeniería de materiales para que las baterías de iones de litio se conviertan en un éxito comercial. La formulación de la batería de iones de litio generalmente consta de tres componentes: un material activo, un aditivo conductor y un aglutinante. A pesar de constituir menos del 5 % en peso de las formulaciones típicas de baterías de iones de litio, el activo conductor es de importancia crítica para maximizar la densidad de energía y la capacidad de velocidad de los materiales activos.

Los negros de carbono son los aditivos conductores más utilizados porque pueden producir redes eléctricas robustas en los electrodos. Estas redes eléctricas se logran mejor con negros de carbono que tienen una estructura alta y ramificaciones extensas. Recubriendo las partículas de material activo y llenando el espacio intersticial en el electrodo con un negro de carbono conductor, la cinética de las reacciones de intercalación tanto del cátodo como del ánodo puede mejorarse en gran medida. En Birla Carbon, nuestra experiencia en microscopía nos permite visualizar el papel del negro de carbono en los electrodos de las baterías de iones de litio, como se muestra en la imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) a continuación.

Conductive Additives SEM Image

Además de la estructura y la ramificación, el área de la superficie del aditivo conductor también es importante a considerar al realizar selecciones de materiales para las formulaciones de baterías. Los materiales de mayor área superficial generalmente tienen más sitios de reacción. En las primeras etapas del ciclo de la batería, los componentes del electrolito líquido (el medio a través mientras que los iones de litio se mueven entre los electrodos) se degradan en estos sitios de reacción

El electrolito degradado forma una película delgada conocida como interfaz de electrolito sólido (SEI). Mientras que el litio se pierde durante la formación del SEI, el SEI conduce iónicamente el litio a los materiales activos y protege las partículas del material activo de la degradación durante el ciclo. Sin embargo, si la capa SEI es demasiado gruesa, la difusión de los iones de litio a través del SEI puede verse obstaculizada y afectar negativamente el rendimiento de la batería. La estructura y ramificación del negro de carbono son generalmente las propiedades que mejor se correlacionan con el rendimiento de la batería, pero también se debe considerar el área de la superficie para asegurar un ciclo eficiente de la batería.

Los aditivos conductores de negro de carbono también pueden tener un impacto significativo en las propiedades de la formulación tanto del ánodo como del cátodo. En las formulaciones tradicionales de baterías de iones de litio, donde el material activo, el aditivo conductor y el aglutinante se mezclan en una suspensión viscosa, el negro de carbono debe estar bien disperso en esa suspensión. Los negros de carbono de alta estructura demuestran una dispersión más fácil. La dispersabilidad del negro de carbono puede tener un efecto profundo sobre la viscosidad y la carga de sólidos alcanzable de la suspensión. Las lechadas con mayor carga de sólidos utilizan menos solvente, lo que puede mejorar en gran medida la eficiencia de la producción de baterías.

Birla Carbon ha desarrollado nuevos aditivos conductores para su uso en ánodos y cátodos para baterías de iones de litio. Estos aditivos conductores incluyen negros de carbono de alta estructura e híbridos de nanotubos de carbono/negro de carbono que pueden superar los límites de la densidad de energía, la densidad de potencia, las tasas de carga y el ciclo de vida. Las formulaciones con aditivos conductores de Birla Carbon también permiten una mayor eficiencia de fabricación.

Contacte con EnergySystems@adityabirla.com para preguntar sobre nuestros nuevos aditivos conductores para baterías de iones de litio.

Dr. Michael Regula

El Dr. Michael Regula es ingeniero de sistemas de energía en Birla Carbon con un enfoque principal en el desarrollo y caracterización de nuevos productos y procesos para el mercado de almacenamiento de energía. Los intereses de investigación y desarrollo incluyen sintetizar y caracterizar aditivos conductores de carbono, incluidos nanomateriales, y materiales activos tanto para baterías de iones de litio como para tecnologías de almacenamiento de energía de próxima generación. También se centra en el desarrollo de métodos para definir relaciones estructura-propiedad únicas para diseñar mejor los materiales de la batería. El Dr. Regula recibió su licenciatura y su doctorado en ingeniería química de la Universidad de Penn State. Sus proyectos de doctorado se centraron en el desarrollo de materiales activos y electrolitos para baterías de litio de próxima generación.

Dr. Zachary Combs

El Dr. Zachary Combs es el líder mundial en tecnología para sistemas energéticos en Birla Carbon. Tiene más de 8 años de experiencia en la industria del negro de carbono con un enfoque principal en el desarrollo de nuevos productos para el mercado de almacenamiento de energía y una amplia experiencia en las industrias de neumáticos y productos mecánicos de caucho. Los intereses de investigación y desarrollo incluyen la morfología, la modificación de la superficie y la microestructura de los negros de carbono y otros materiales de carbono avanzados, y cómo estas características impactan las relaciones estructura-propiedad de los sistemas de almacenamiento de energía. El Dr. Combs recibió su licenciatura en química de polímeros de la Universidad de Clemson y su doctorado del Instituto de Tecnología de Georgia en ciencia e ingeniería de materiales con un enfoque en síntesis de nanopartículas y química de superficies.

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