Mejora el rendimiento de las Baterías de Iones de Litio

Baterías de Iones de Litio

Las baterías de iones de litio son una fuente de energía cómoda y fiable para muchas máquinas y dispositivos de uso cotidiano, como teléfonos móviles, ordenadores portátiles y vehículos eléctricos. Las baterías de iones de litio son preferibles a otros tipos de baterías porque tienen densidades de energía muy altas, una baja tendencia a la autodescarga y no tienen efecto memoria, que es perjudicial para la capacidad de la batería con el paso del tiempo. Las baterías de iones de litio utilizan dos electrodos: el cátodo y el ánodo. Cuando se descargan, los iones de litio viajan a través de una solución electrolítica desde el ánodo hasta el cátodo para generar una corriente eléctrica. Cuando se cargan, los iones de litio vuelven a recorrer la solución electrolítica desde el cátodo hasta el ánodo en dirección opuesta a la corriente de descarga. 

Tendencias Tecnológicas de los Aglutinantes de Anodos

El grafito es el material más utilizado en el ánodo de las baterías de iones de litio debido a su capacidad para permitir fácilmente que los iones de litio entren y salgan del electrodo en un proceso conocido como intercalación. Se utiliza un aglutinante para mantener unidas las partículas de grafito y darles la resistencia mecánica necesaria para su uso como ánodo. Históricamente, se utilizaba una combinación de NMP y PVDF como aglutinante; sin embargo, se ha popularizado una mezcla de polímeros de carboximetilcelulosa (CMC) a base de agua porque es una química mucho más segura y más respetuosa con el medio ambiente. Aunque suele constituir una parte relativamente pequeña de la formulación de un ánodo, el aglutinante CMC utilizado para producir ánodos de baterías de iones de litio puede influir significativamente en el rendimiento general de la batería. 

Optimización del rendimiento de las baterías de iones de litio con TEXTURECEL™ BA

TEXTURECEL™ BA es un agente aglutinante y espesante a base de celulosa que proporciona la pureza, viscosidad y grupos funcionales químicos necesarios para mejorar drásticamente el rendimiento de las pilas. En términos de composición química, es un polímero de carboximetilcelulosa sódica de alta pureza diseñado para superar el estándar del mercado en cuanto a pureza de la CMC. Normalmente, la CMC ordinaria se utiliza como agente espesante a base de celulosa para aplicaciones alimentarias, de cuidado personal y farmacéuticas. Aunque su rendimiento se ajusta a estrictas especificaciones de viscosidad, contiene altos niveles de impurezas de gel de celulosa que resultan inadecuados para su uso en aplicaciones de alto rendimiento, como los ánodos de baterías. En última instancia, estas impurezas tienen un efecto perjudicial en el rendimiento de las baterías y pueden observarse y cuantificarse recubriendo una solución de CMC sobre un sustrato de vidrio. 

Como se puede ver en las imágenes de arriba, TEXTURECEL™ BA contiene muchas menos impurezas de gel que la carboximetilcelulosa estándar del mercado. Para demostrar el impacto dramático del alto contenido de gel en el rendimiento de la batería, se prepararon recubrimientos de ánodos utilizando CMC estándar del mercado y TEXTURECEL™ BA, y luego se recubrieron sobre cobre para crear ánodos para hacer celdas de bolsa. La formulación química utilizada para el revestimiento del ánodo se indica en la tabla siguiente.

Los electrodos se dejaron secar toda la noche en un horno de vacío a 130°C. A continuación, se montaron células de bolsa utilizando los ánodos fabricados con diferentes aglutinantes CMC y los siguientes componentes.

A continuación, las células se sometieron a pruebas de tasa C y a un estudio de envejecimiento a largo plazo. 

Tasa de Carga-Descarga (C-Rate)

La tasa de Carga-Descarga (C-Rate)  es una medida de la corriente a la que se descarga o carga una batería. Se comprobó la capacidad de descarga de las pilas durante 100 ciclos a tasas C que variaban de C/20 a 5C. 
 

Normalmente, la capacidad total se reduce durante la carga y descarga rápidas de las baterías. Minimizar esta disminución de la capacidad a altas velocidades C es fundamental para producir baterías que funcionen mejor en situaciones de carga y descarga rápidas. Los datos de las pruebas anteriores muestran que las células producidas utilizando los grados TEXTURECEL™ BA mostraron una reducción significativamente menor en la capacidad de descarga a altas tasas de C que las células producidas con el CMC estándar del mercado con baja pureza. Estos resultados muestran que, de media, se puede obtener un aumento del 20% en la capacidad de descarga de 3C a 5C cuando se minimizan las impurezas del gel en el aglutinante CMC. 

Estudio sobre el envejecimiento

Para evaluar los efectos del TEXTURECEL™ BA y de los aglutinantes CMC estándar del mercado sobre la longevidad de las células, se probó la capacidad de descarga durante aproximadamente 800 ciclos de descarga y recarga. A continuación se presentan los datos de estas pruebas. 
 
 

Las curvas anteriores, en su mayoría paralelas, sugieren que todas las células perdieron capacidad al mismo ritmo. Sin embargo, las células producidas utilizando los grados TEXTURECEL™ BA tuvieron una capacidad mucho mayor después de envejecer durante 100 ciclos, permaneciendo entre un 10% y un 15% más altas en capacidad de descarga que las células CMC estándar del mercado durante 800 ciclos. 

Resumen y conclusión

La carboximetilcelulosa representa una parte muy pequeña del peso de la batería, normalmente en torno al 0,1%, pero puede influir en la densidad energética y el rendimiento de la batería en un 10% aproximadamente. Muchos polímeros de carboximetilcelulosa estándar del mercado utilizados en la fabricación de baterías tienen un alto nivel de impurezas de gel que afectan negativamente al rendimiento de la batería. Los grados de TEXTURECEL™ BA se producen para contener impurezas de gel muy bajas y mejorar significativamente la capacidad de la batería, la vida útil de la batería y la velocidad de carga cuando se utiliza como aglutinante en revestimientos de ánodos. Los grados comercialmente disponibles de TEXTURECEL™ BA se enumeran a continuación. 

 

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