Comprensión de los tipos y componentes de baterías y el papel de las pruebas de materiales de baterías en el desarrollo y la fabricación

Aug 18, 2023

Complete el siguiente formulario y le enviaremos por correo electrónico una versión PDF de "Comprensión de los tipos de baterías, componentes y el papel de las pruebas de materiales de baterías en el desarrollo y la fabricación".

Complete el siguiente formulario para desbloquear el acceso a TODOS los artículos de audio.

Cualquier dispositivo que pueda transformar su energía química en energía eléctrica a través de reacciones de oxidación-reducción (redox) que involucran sus materiales activos, comúnmente conocidos como electrodos, ahora se conoce pedagógicamente como batería.1 Esencialmente, una batería contiene una o varias celdas idénticas que cada uno almacena energía eléctrica como energía química en dos electrodos que están separados por un electrolito.2

¿Quién inventó la batería?

¿Cuáles son los principales tipos diferentes de baterías?

- Baterías primarias

- Baterías secundarias

¿De qué están hechas las baterías y cuáles son sus principales componentes?

- Separador de batería - Electrolito de batería

- Ánodo

- cátodo

- Coleccionistas actuales

¿Cómo se fabrican las baterías y por qué se podría probar el material de una batería?

- Impureza del material de la batería.

- Seguridad de la batería

- Escapes térmicos

- Degradación de la batería

- Reducción de costo

Pruebas analíticas en la fabricación de baterías.

- Análisis de materias primas

- Análisis de lodo de batería

- Análisis de electrodos.

- Análisis de electrolitos

- Pruebas de rendimiento de la batería

- Seguimiento de postproducción

Investigación sobre baterías y baterías verdes

Al sumergir dos metales o compuestos metálicos (electrodos) diferentes en un sistema conductor de iones (electrolito), los electrones tienden a moverse de un electrodo a otro, utilizando la propiedad electroquímica básica de los electrodos. Cuando se conecta una carga, los electrones comienzan a fluir de un electrodo al otro, generando electricidad. Esto se llama descarga. Durante el proceso de carga o recarga, se aplica un potencial opuesto a los electrodos, lo que hace que los electrones vuelvan a sus posiciones originales. Normalmente, se coloca un separador poroso de iones en el electrolito entre los dos electrodos para evitar cortocircuitos. La Figura 1 muestra un esquema de la primera batería recargable de iones de litio (Li-ion).3

En este artículo, consideraremos los principales tipos de baterías, componentes y materiales de baterías y las razones y formas en que se prueban los materiales de las baterías.

Las baterías son quizás la forma más antigua y prevalente de tecnología de almacenamiento de energía en la historia de la humanidad.4 Sin embargo, no fue hasta 1749 que Benjamín Franklin acuñó el término "batería" para describir varios condensadores (conocidos como frascos de Leyden, en honor a la ciudad de que fue descubierto), conectados en serie. El término "batería" probablemente se eligió basándose en la analogía con la terminología existente utilizada para describir un grupo de equipos similares que operan colectivamente, como una batería de cañones de artillería. Curiosamente, en la actualidad, a menos que se especifique explícitamente lo contrario, el término "batería" se refiere universalmente a las celdas electroquímicas utilizadas para generar energía eléctrica, e incluso una sola celda ahora se denomina batería.

A lo largo de la línea temporal del desarrollo tecnológico, varios avances notables han desempeñado un papel importante en la configuración y evolución de las baterías modernas. Se especuló que los habitantes de la civilización parta en el siglo XVIII galvanizaban oro sobre plata utilizando vasijas compuestas por una varilla de hierro dentro de un cilindro de cobre, un conjunto que se conoce como la “Batería de Bagdad”. Sin embargo, Alejandro Volta es considerado el verdadero descubridor de las baterías.1 Hizo e introdujo la primera demostración exitosa de una batería moderna en 1800, comúnmente conocida como pila voltaica. Otros desarrollos incluyen la celda de Daniel en 1836 y la primera batería recargable, la batería de plomo-ácido, en 1854. Las baterías de litio fueron las últimas en surgir en la progresión de la tecnología de baterías, introducidas recién en la década de 1970. La Figura 2 ilustra el cronograma de introducción de los tipos comunes de baterías.

Hay dos tipos principales de baterías. Estas son baterías primarias y baterías secundarias. La Tabla 1 proporciona una descripción general de las principales químicas de las baterías comerciales, junto con su clase (primaria/secundaria) y ejemplos de áreas de aplicación típicas. Consideremos los tipos más comunes con más detalle.

También se les conoce como baterías no recargables. Están diseñados para un solo uso y luego se desechan sin posibilidad de recarga. Una vez que se agota su energía, es necesario reemplazarla. Las baterías primarias se ensamblan en estado cargado y su capacidad está limitada a la cantidad de energía que se puede obtener del volumen de reactivos que se colocan en ellas durante la fabricación. La Figura 3 muestra el diagrama de flujo del proceso de materiales y recursos a lo largo del ciclo de vida de las baterías primarias.5 Ejemplos notables de baterías primarias incluyen las baterías alcalinas y las baterías de metal litio.

Una batería alcalina es un tipo común de batería primaria que se usa ampliamente en diversos dispositivos electrónicos como linternas, controles remotos, juguetes y dispositivos electrónicos portátiles. Este tipo de batería suele utilizar zinc (Zn) como electrodo negativo y dióxido de manganeso (MnO2) como electrodo positivo, con un electrolito alcalino, normalmente hidróxido de potasio (KOH) entre los electrodos. Las baterías alcalinas ofrecen alta densidad de energía y buen rendimiento bajo cargas moderadas con una larga vida útil

Las baterías de metal litio (que no deben confundirse con las baterías de iones de litio) son un tipo de batería primaria que utiliza litio metálico (Li) como electrodo negativo y una combinación de diferentes materiales como disulfuro de hierro (FeS2) o MnO2 como electrodo positivo. . Estas baterías ofrecen alta densidad de energía, diseño liviano y excelente rendimiento tanto a bajas como a altas temperaturas. Las baterías de metal de litio ofrecen una larga vida útil y energía confiable. Como tales, se utilizan habitualmente en dispositivos médicos, relojes, calculadoras y sistemas de energía de respaldo.

Las baterías secundarias se pueden recargar después de descargarse invirtiendo el flujo de corriente a través de la batería. Otros términos para este tipo de batería son batería recargable o acumulador. Las baterías secundarias generalmente se ensamblan en estado descargado y deben cargarse primero antes de que puedan descargarse en un proceso secundario.6 El flujo del proceso para las baterías recargables se muestra en la Figura 4.5. Después de ser fabricadas, el consumidor puede utilizar las baterías recargables durante más de una y otra vez hasta el final de su vida útil. Si los materiales de las baterías se reciclan después de su eliminación, los metales recuperados pueden usarse en la producción de baterías nuevas o pueden usarse para otra aplicación. Por lo tanto, las baterías secundarias son más respetuosas con el medio ambiente y más rentables a largo plazo en comparación con las baterías primarias. Ejemplos de baterías secundarias incluyen baterías de hidruro metálico de níquel (NiMH), baterías de plomo-ácido, baterías de iones de litio y baterías de estado sólido.

La batería NiMH es una batería recargable que utiliza una aleación que absorbe hidrógeno como electrodo negativo y óxido de níquel (NiO) como electrodo positivo. Se utilizan comúnmente en dispositivos electrónicos portátiles, como cámaras digitales, teléfonos inalámbricos y dispositivos de juegos portátiles debido a su costo relativamente bajo, buena capacidad de almacenamiento de energía y ausencia de materiales tóxicos como el cadmio (Cd). Sin embargo, sufren de autodescarga y son menos tolerantes a la sobrecarga.

Las baterías de plomo-ácido son las baterías recargables más antiguas y más utilizadas. Consisten en un electrodo negativo de plomo (Pb) y un electrodo positivo de óxido de plomo (PbO) sumergidos en un electrolito de ácido sulfúrico (H2SO4). Las baterías de plomo-ácido son conocidas por su confiabilidad y robustez, lo que las hace adecuadas para aplicaciones como baterías de arranque de automóviles, sistemas de energía de respaldo y almacenamiento de energía renovable. Aunque las baterías de plomo-ácido tienen una densidad de energía relativamente menor en comparación con las tecnologías de baterías más nuevas, siguen siendo populares debido a su costo relativamente bajo y su capacidad para entregar altas corrientes.

Las baterías de iones de litio son baterías recargables que utilizan compuestos de Li como material activo en los electrodos positivo y negativo. Las baterías de iones de litio ofrecen una alta densidad de energía y una baja tasa de autodescarga con un diseño liviano. Tienen una vida útil más larga y una mayor densidad de potencia en comparación con otras baterías recargables. Las baterías de iones de litio se han convertido en la opción estándar para una amplia gama de aplicaciones, incluidos vehículos eléctricos (EV), dispositivos móviles y sistemas de almacenamiento de energía renovable.

Las baterías de estado sólido han atraído considerable atención debido a su potencial de seguridad, mayor densidad de energía, capacidades de carga más rápidas, rangos de temperatura de funcionamiento más amplios y beneficios en su ciclo de vida. Emplean un electrolito sólido en lugar del líquido o gel utilizado en otras baterías tradicionales. Las baterías de estado sólido se consideran una prometedora tecnología de baterías de próxima generación con potencial para revolucionar diversas industrias, incluidos los vehículos eléctricos y la electrónica de consumo, al proporcionar soluciones mejoradas de almacenamiento de energía con un impacto ambiental reducido.

Tabla 1: Descripción general de los sistemas de baterías comerciales comunes junto con ejemplos de aplicaciones típicas, adaptado de Winter et al.7 y Smith et al.6

Tipo

Designación

Ánodo/Negativo

Electrólito

Cátodo/Positivo

Aplicaciones Típicas

PRIMARIO

Zinc-carbono (Leclanché)

zinc

NH4Cl o ZnCl2 acuoso

MnO2, C

Utilizado en una amplia gama de pequeños dispositivos electrónicos portátiles; rendimiento de descarga modesto y de bajo costo; Potencial de celda de 1,5 V

Zinc-carbono (cloruro de zinc)

zinc

ZnCl2 acuoso

MnO2

Utilizado en pequeños dispositivos electrónicos portátiles con potencial de celda de 1,5 V.

Alcalino-manganeso

zinc

KOH acuoso

MnO2, C

Más energía y potencia pero también más cara; Potencial de celda de 1,5 V

Mercurio

zinc

NaOH o KOH acuoso

HgO, C

Utilizado anteriormente en audífonos, cámaras y calculadoras, descontinuado debido a la toxicidad del Hg; Potencial de celda de 1,35 V

metal de litio

li

Sal de Li en disolvente orgánico.

MnOp, C

Disponible en una gama de sistemas con varios cátodos con voltajes entre 1,5 y ~ 3,6 V

Dióxido de litio-manganeso

li

LiCF3SO3 o LiClO4 en disolvente orgánico

MnO2

Tensión de funcionamiento de 3 V con alta energía específica y una curva de descarga estable

Monofluoruro de litio-carbono

li

LiCF3SO3 o LiClO4 en disolvente orgánico

CFx

Se utiliza ampliamente en cámaras y dispositivos más pequeños que proporcionan ~ 3,2 voltios por celda.

Sulfuro de hierro y litio

li

LiCF3SO3 y/o LiClO4 en disolvente orgánico

FeS2

Proporciona un voltaje de celda de alrededor de 1,5 V y funciona incluso en temperaturas extremas desde - 40 °C hasta + 60 °C

Yodo de litio

li

LiI en disolvente orgánico

I2

Comúnmente utilizado en dispositivos médicos, como marcapasos y dispositivos médicos implantables. Alrededor de 2,7 V de potencial de celda

Óxido de litio-plata-vanadio

li

LiAsF en disolvente orgánico

Ag2V4O11

Normalmente se utiliza en dispositivos médicos, electrónica y equipos militares con un potencial de celda de alrededor de 3 V.

Dióxido de litio-azufre

li

SO2−LiBr en disolvente orgánico

SO2 (C)

Se utiliza en aplicaciones que requieren alta densidad de energía, como aplicaciones militares y aeroespaciales.

Cloruro de litio-tionilo

li

SOCl2-LiAlCl4

SOCl2 (C)

Se utiliza en aplicaciones que requieren almacenamiento de energía a largo plazo, como medición de servicios públicos, monitoreo remoto y sistemas de seguridad.

Sulfuro de litio-hierro (térmico)

li

Mezcla de sales fundidas LiCl−LiBr−LiF

FeS2

Utilizado en aplicaciones de alta temperatura, como baterías térmicas para sistemas militares y aeroespaciales; Potencial de celda de 1,8 a 2,2 V

Cloruro de magnesio-plata

magnesio

Agua de mar

AgCl

Utilizados en sistemas militares y aeroespaciales, debido a su alta densidad energética y larga vida útil; alrededor de 1,6 V de potencial de celda

Zinc-aire

zinc

KOH acuoso

Aire, C

Principal nicho de mercado de audífonos; Buen rendimiento de la celda con 1,4 V nominal, pero alta tasa de autodescarga.

Óxido de zinc-plata

zinc

KOH acuoso

Ag2O, C

Aplicación típica en relojes o calculadoras con buen rendimiento de descarga. Caro debido al contenido de Ag. Potencial nominal de celda de 1,55 V

SECUNDARIO

Niquel Cadmio

Cd

KOH acuoso

NiO(OH)

Presencia sustancial en el mercado de dispositivos portátiles, tiene un ciclo de vida elevado pero adolece del efecto memoria. Potencial nominal de celda de 1,2 V; El cd es toxico

Hidruro metálico de níquel

Compuesto intermetálico AB5 o AB2

KOH acuoso

NiO(OH)

Sustituto de la celda tradicional de NiCd con mejora tanto en el rendimiento electroquímico como ambiental. Potencial nominal de celda de 1,2 V

Plomo-ácido

Pb

H2SO4 acuoso

PbO2

Generalmente utilizado en aplicaciones automotrices, como batería de tracción o como fuente de energía de reserva. Tiene una alta toxicidad pero es fácil de reciclar. Tensión nominal de celda de 2 V

iones de litio

C, Lix

Sal de Li en disolvente orgánico.

Li(1−x)MnOp

Celda de alto rendimiento ampliamente utilizada en equipos electrónicos portátiles de bajo impacto ambiental. Potencial nominal de celda de 3,6 V

azufre de litio

li

Sal de Li en disolvente orgánico.

S

Tiene una ventana de voltaje de 1,5 V a 3 V. Utiliza materiales abundantes y rentables, promete altas densidades de energía (> 600 W h/kg) que superan las de las baterías de iones de litio.

Li-poli

C, Lix

Sal de Li en gel polimérico.

Li(1−x)MnOp

Propuesto como sustituto del Li-ion. Más económico y seguro con rendimiento comparable y voltaje nominal de celda de 3,7 V

ion sodio

C, Nax

Sal sódica en disolventes orgánicos o acuosos.

Na(1−x)MnOp

Menores costes de material en comparación con las baterías de litio debido a la abundancia de sodio.

Níquel-hidrógeno

H2 (punto)

KOH

NiOOH

Las baterías de níquel-hidrógeno se utilizan habitualmente en aplicaciones aeroespaciales, como satélites y sondas espaciales. Alrededor de 1,2 voltios de potencial de celda

De Estado sólido

li

Polímero conductor de iones, óxidos metálicos, perovskita, NASICON, LISICON

Li(1−x)MnOp

Proporciona mayor seguridad, menor peso neto y volumen de la batería, mayor producción de energía y transferencia de iones más sencilla. Adecuado para aplicaciones en sectores móviles y de pequeña escala, incluidos el transporte, la industria aeroespacial, la instrumentación militar y médica.

batería de flujo

C

Electrolito separado que contiene especies redox activas para electrodo positivo y negativo

C

Pueden conservar una vida útil excepcional de hasta 100.000 ciclos, lo que corrobora su aplicabilidad en sistemas de almacenamiento de energía a granel. El potencial de la celda suele estar en el rango de 1 a 2 V.

Un separador de batería suele ser una membrana porosa colocada entre los electrodos negativo y positivo para mantener los electrodos separados y evitar cortocircuitos eléctricos.8 Deben ser muy buenos aislantes electrónicos y al mismo tiempo permitir el transporte rápido de los iones necesarios para completar el circuito durante la descarga y/o carga de la batería. El transporte de iones se puede lograr mediante conductividad iónica inherente o impregnando el separador con electrolito. A medida que las baterías han avanzado, la función de los separadores se ha vuelto más compleja y exigente. Las características de cada separador disponible deben evaluarse frente a los requisitos del sistema de batería al seleccionar un separador. Las consideraciones clave que influyen en la selección del separador incluyen las siguientes: cómo deben tener/ser: 8

En muchas aplicaciones, generalmente se debe llegar a un compromiso en los requisitos del separador para optimizar el rendimiento, la seguridad, el costo, etc. Por ejemplo, si se desean baterías que tengan una resistencia interna pequeña, es posible que requieran separadores que sean muy porosos y delgados, pero la necesidad de una fuerza física adecuada puede requerir que sean gruesos. Los separadores de baterías selladas de níquel-cadmio (NiCd) y NiMH requieren una alta permeabilidad al gas para protegerlos contra la sobrecarga. Los separadores de celdas de iones de litio deben tener un mecanismo de apagado para mayor seguridad. Los separadores de pilas alcalinas deben ser lo suficientemente flexibles como para envolver los electrodos. 8

Alejandro Volta definió por primera vez el electrolito en 1800.9 Es una capa aislante de electrones y conductora de iones, ya sea líquida o sólida, interpuesta entre los electrodos negativo y positivo. A menudo se piensa que los electrolitos son líquidos, como agua u otros disolventes, con sales, ácidos o álcalis disueltos. Sin embargo, muchas baterías, incluidas las convencionales (AA/AAA/D), contienen electrolitos sólidos que actúan como conductores iónicos a temperatura ambiente. Aunque las características específicas de los electrolitos pueden variar según los distintos tipos de baterías, su función fundamental sigue siendo la misma.

La química de los electrolitos juega un papel importante en la determinación de la seguridad de la celda, el ciclo de vida y la capacidad energética. En las baterías acuosas, como las de plomo-ácido y NiMH, el electrolito suele ser una solución a base de agua que contiene varias sales o ácidos. Los electrolitos acuosos ofrecen buena conductividad iónica y generalmente son rentables e incluso se están desarrollando para celdas de iones de litio, principalmente debido a preocupaciones ambientales y de seguridad.10 Sin embargo, adolecen de una estrecha ventana de estabilidad electroquímica limitada por la electrólisis del agua.11

En 2015, se propuso el concepto de electrolitos de “agua en sal” (WiSE), en contraste con los típicos electrolitos de “sal en agua”, que muestra una ventana de estabilidad electroquímica extendida de 3,0 V.10 Actualmente, el estado de El electrolito de última generación para aplicaciones de baterías de iones de litio son las sales de Li, por ejemplo, hexafluorofosfato de litio (LiPF6), disueltas en disolventes de carbonato de base orgánica no acuosa, por ejemplo, carbonato de etileno (EC) y carbonato de dimetilo (DMC).12 A pesar de su uso ubicuo En aplicaciones de vehículos eléctricos, estos electrolitos orgánicos limitan la seguridad de la celda debido a su combustibilidad y al rango limitado de temperatura de funcionamiento de la celda de -10 °C a 60 °C en los escenarios más optimistas.12

Recientemente se ha desarrollado una nueva clase de electrolitos mediante la hibridación de disolventes acuosos con disolventes no acuosos, que hereda las características de no inflamabilidad y no toxicidad de los sistemas acuosos y una mejor estabilidad electroquímica de los sistemas no acuosos.13 Sin embargo, existe un fuerte impulso de la industria automotriz para considerar electrolitos de estado sólido orgánicos o inorgánicos para ser utilizados en baterías de estado sólido. Estos electrolitos pueden ser materiales a base de cerámica o polímeros con alta conductividad iónica. Permiten el uso de ánodos de litio metálicos, que pueden aumentar la densidad energética de la batería. El principal beneficio de las baterías de estado sólido ha sido su mayor seguridad, que se deriva de la ausencia de electrolitos líquidos inflamables típicamente empleados en las celdas de iones de litio.14 Los electrolitos sólidos inorgánicos también podrían soportar el funcionamiento de la batería a temperaturas altas y bajas (por ejemplo, - 50 a 200 °C o más) en los que los electrolitos líquidos convencionales se congelarían, hervirían o se descompondrían.14

El ánodo es el electrodo negativo de la batería asociado con reacciones químicas oxidativas que liberan electrones al circuito externo.6 Las baterías de iones de litio comúnmente usan grafito, una forma de carbono (C), como material del ánodo. El grafito tiene una estructura en capas, lo que permite que los iones de litio se inserten en las capas durante la carga y se extraigan durante la descarga. Sin embargo, la naturaleza de la interacción química con el litio conduce a una baja densidad de energía.

El silicio es una alternativa al grafito debido a su mayor capacidad teórica para iones de litio. Sin embargo, el silicio experimenta una importante expansión y contracción de volumen durante la carga y descarga respectivamente, lo que provoca tensión mecánica y provoca la degradación de los electrodos y fallos de la batería.

Es posible utilizar litio metálico directamente como material anódico. Los ánodos de metal de litio tienen la mayor capacidad teórica y densidad de energía, ya que son el material más denso en litio. Sin embargo, el uso de ánodos de litio metálicos presenta desafíos, como la formación de dendritas, que pueden provocar cortocircuitos, problemas de seguridad y un ciclo de vida reducido.

Las baterías de plomo-ácido cuentan con un ánodo a base de Pb, normalmente compuesto de PbO2 sobre un sustrato de Pb. Las baterías de NiMH utilizan una aleación que absorbe hidrógeno, como una mezcla de níquel (Ni) e hidruro metálico, como material del ánodo. El ánodo absorbe iones de hidrógeno durante la carga y los libera durante la descarga.

El cátodo es el electrodo positivo de una celda, asociado con reacciones químicas reductoras.6 Las baterías de iones de litio emplean diversos materiales catódicos, incluidos óxido de litio y cobalto (LCO), fosfato de litio y hierro (LFP) y óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC). Estos materiales catódicos pueden aceptar y expulsar reversiblemente iones de litio dentro y fuera de su estructura cristalina durante los ciclos de carga y descarga.

Las baterías de NiMH suelen tener un material catódico de oxihidróxido de níquel (NiOOH). El cátodo absorbe iones de hidróxido durante la carga y los libera durante la descarga. Las baterías de litio-aire emplean un cátodo poroso a base de carbono que interactúa con el oxígeno del aire circundante, lo que permite la reacción electroquímica reversible entre los iones de litio y el oxígeno durante la carga y descarga. La reacción en el cátodo es de naturaleza electrocatalítica y requiere un electrocatalizador.

Los colectores de corriente suelen ser láminas metálicas o materiales conductores que recogen y distribuyen la corriente eléctrica generada durante el funcionamiento de la batería. Están en contacto directo con sus respectivos electrodos y suelen estar fabricados en cobre y aluminio debido a su alta conductividad eléctrica. Los colectores de corriente a veces actúan como terminales para la conexión externa de las celdas individuales de la batería, permitiendo que la corriente eléctrica fluya hacia y desde la batería.

Antes de considerar cómo se fabrican las baterías, es importante señalar que el desarrollo de baterías normalmente lleva mucho tiempo e implica una progresión desde la escala de laboratorio hasta las pruebas de prototipos y, en última instancia, hasta la línea de ensamblaje y producción. El proceso se puede resumir brevemente de la siguiente manera:

Por lo tanto, se requiere un esfuerzo significativo antes de comercializar una química de batería. La construcción de una planta de fabricación también puede tardar varios años en ponerse en marcha debido a desafíos como las complejas cadenas de valor, con docenas de proveedores necesarios para obtener todos los materiales y componentes. Lo más importante es que la producción comercial final y la fabricación de la batería también implican varios pasos desde las materias primas hasta el ensamblaje de las celdas de la batería. En la Figura 5 a continuación se muestra un proceso típico de fabricación de baterías.

Las plantas de fabricación modernas utilizan una fabricación de precisión y un alto nivel de automatización para ser rentables.15 Es importante realizar pruebas rigurosas en todas las etapas para garantizar que la batería final cumpla con todas las especificaciones necesarias. Estas especificaciones incluyen, entre otras, seguridad, ciclo de vida, costo, reutilización y sostenibilidad del proceso de fabricación. A continuación se describen algunas áreas donde la prueba de la batería es esencial.

Las impurezas en las materias primas pueden afectar negativamente al rendimiento, la seguridad y la vida útil de la batería. Las pruebas analíticas de materias primas ayudan a identificar y controlar las impurezas para garantizar una producción de baterías consistente y de alta calidad. Las impurezas en los materiales de los electrodos pueden dificultar las reacciones electroquímicas, reducir la capacidad y acelerar la degradación. Las pruebas de los materiales de los electrodos ayudan a garantizar la pureza y la consistencia, lo que conduce a un rendimiento óptimo de la batería. Casi todos los componentes de la batería están aislados y probados individualmente.

El calor y la producción de gases inflamables y/o tóxicos son los factores básicos que provocan el fallo de la batería. En consecuencia, la seguridad de un sistema de batería se puede mejorar, en primer lugar, evitando las condiciones que conducen a la generación de calor y gas y, en segundo lugar, si esto ocurre, gestionando el calor y el gas generados para aliviar el fallo de la batería. En las baterías modernas se instalan respiraderos de seguridad y dispositivos de interrupción de corriente que se abren en respuesta al aumento de presión dentro de la celda para permitir que escapen los gases para evitar la ruptura de la celda. También se utilizan separadores de apagado y sistemas inteligentes de gestión de baterías. Se prueba la confiabilidad de todas estas características antes de introducirlas en la línea de producción. También se pueden realizar modificaciones importantes en los componentes de la batería, como el cátodo, el ánodo o el electrolito, para hacerlos inherentemente seguros.

Se estima que la tasa de falla de las baterías de iones de litio es de 1 en 40 millones si se almacenan y operan dentro de los límites recomendados por el fabricante.16 Sin embargo, circunstancias impredecibles, como la sobrecarga, el calentamiento externo y el abuso mecánico, pueden aumentar significativamente esta probabilidad de falla. Ha habido numerosos accidentes de fallas de baterías de alto perfil, muchos de los cuales causaron impactos adversos significativos para los fabricantes de celdas, así como para las empresas que utilizan la tecnología de baterías específica en sus productos. Como tal, se realizan pruebas rigurosas de los materiales, componentes y sistemas auxiliares relacionados de la batería en condiciones difíciles para probar el "peor de los casos", incluso si la batería nunca experimentará tales condiciones bajo uso normal.

La fuga térmica es un problema importante asociado con las baterías, especialmente las de iones de litio. Se refiere a una situación en la que una batería experimenta un aumento de temperatura autosostenible e incontrolable como resultado de reacciones electroquímicas durante la carga y/o descarga. El calor, cuando no se disipa eficazmente, acelera aún más otras reacciones que aumentan la temperatura de la batería, creando un circuito de retroalimentación positiva. La fuga térmica puede provocar potencialmente fallos en la batería, incendios o incluso explosiones.

Las baterías modernas contienen mucha energía. Por ejemplo, una batería de 55 Ah equivale a la energía de una granada de mano (150 g de TNT).17 Por lo tanto, las celdas o paquetes de batería están empaquetados, a menudo con elementos de seguridad, como circuitos de protección y sistemas de gestión térmica. Cada uno de estos sistemas debe probarse para determinar su funcionalidad precisa. Se implementan medidas de control de calidad, que incluyen inspección visual, pruebas eléctricas y pruebas ambientales, para garantizar que las baterías puedan controlar un aumento inesperado de temperatura y cumplir con las especificaciones y estándares de seguridad establecidos por los diversos organismos reguladores.

Después de la fabricación de la batería, el monitoreo y las pruebas continuos son esenciales para evaluar el rendimiento, la seguridad y la confiabilidad a largo plazo. Las pruebas de materiales son importantes para identificar posibles mecanismos de degradación, como la descomposición del material de los electrodos o la rotura de electrolitos. Al monitorear estos materiales, los fabricantes pueden identificar mejoras en la composición o el diseño para mejorar la vida útil y la estabilidad de la batería. Los sistemas modernos de gestión de baterías tienen una amplia gama de funciones, incluida la estimación del estado de carga, la profundidad de la descarga, el estado de salud y el estado de funcionamiento. En conjunto, protegen la batería del sobrecalentamiento y son útiles para la generación de informes de datos. De hecho, cada batería producida continúa informando datos críticos al fabricante para garantizar la optimización de los procesos e identificar los componentes clave que causan la degradación de la batería.

Para seguir siendo competitivos, los fabricantes de baterías deben reducir los costos. Al probar y comprender las características de los materiales, los fabricantes pueden optimizar los diseños de baterías, reducir la dependencia de materiales costosos o escasos y desarrollar procesos de producción más rentables. Los fabricantes también pueden identificar formas de mejorar las reacciones electroquímicas, mejorar la capacidad de almacenamiento de energía y extender el ciclo de vida. Las pruebas durante la fabricación son cruciales para cumplir con los estándares regulatorios y las certificaciones relacionadas con la seguridad, el impacto ambiental y los requisitos de desempeño para evitar el riesgo de multas o accidentes.

Las pruebas analíticas son parte integral de la industria de las baterías para garantizar la calidad, el rendimiento y la seguridad de los componentes y productos de las baterías. Al emplear una variedad de técnicas y analizar varios componentes, los fabricantes pueden optimizar el rendimiento de la batería, identificar problemas potenciales y satisfacer las crecientes demandas de sistemas de almacenamiento de energía confiables y eficientes. Estas pruebas se llevan a cabo en varias etapas, incluido el desarrollo, la producción y el seguimiento de postproducción utilizando una variedad de técnicas analíticas. Los fabricantes suelen evaluar la composición, las propiedades y el comportamiento de las materias primas, lodos de baterías, electrodos, electrolitos y otros componentes. A continuación se describe una descripción general de los aspectos clave de las pruebas analíticas. Esta descripción general se basa en las baterías de iones de litio como uno de los tipos de baterías más comunes en la actualidad, pero no es exclusiva de las baterías de iones de litio.

Las materias primas son el punto de partida del proceso de fabricación de baterías y, por tanto, el punto de partida de las pruebas analíticas. Las principales propiedades de interés incluyen la composición química, la pureza y las propiedades físicas de materiales como litio, cobalto, níquel, manganeso, plomo, grafito y diversos aditivos. Las técnicas de espectroscopia, como la fluorescencia de rayos X y la absorción atómica, la cromatografía y el análisis elemental, ayudan a identificar impurezas, garantizar la calidad del material y evaluar su idoneidad para aplicaciones de baterías.18 La mayoría de los metales se extraen de sus respectivos minerales y también requieren un análisis riguroso durante el proceso. purificación. Sin embargo, esto no se considera parte del proceso de fabricación de la batería.

La mayoría de los electrodos de las baterías consisten en materiales electroactivos recubiertos sobre el colector de corriente. Para recubrir este material activo, los polvos se transforman en suspensiones mezclándolos con disolventes adecuados. Las suspensiones de baterías suelen consistir en materiales activos, aglutinantes, aditivos conductores y disolventes. Las lechadas se evalúan por su viscosidad, contenido de sólidos, distribución del tamaño de partículas y composición química. Técnicas como la medición de reología ayudan a los analistas a comprender las propiedades de las lechadas para garantizar un recubrimiento adecuado de los electrodos y facilitar el secado energéticamente eficiente de los electrodos para optimizar el rendimiento de la batería y reducir los costos.19

Los electrodos son el corazón de la batería donde ocurren todas las reacciones electroquímicas. Las pruebas de los electrodos antes del montaje de la batería proporcionan información sobre su composición, morfología y rendimiento electroquímico. Se utilizan habitualmente técnicas como la microscopía electrónica de barrido (SEM), la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS), la difracción de rayos X (XRD) y la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Estos métodos ayudan a evaluar la integridad de las estructuras de los electrodos, identificar cualquier defecto o impureza y evaluar la eficacia de los materiales activos. Las técnicas modernas de pruebas electroquímicas, como la microscopía electroquímica de barrido20,21 y la microscopía electroquímica de celdas de barrido,22,23 también permiten el análisis de electrodos individuales y materiales de electrodos a nanoescala para una mejor comprensión de las propiedades electroquímicas generales del electrodo.

El electrolito es un componente crítico de las baterías y su análisis implica examinar su estabilidad y conductividad iónica. Estas propiedades generalmente dependen de la composición química, que también se analiza. Técnicas como la cromatografía, la espectrometría de masas (MS) y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR) ayudan a analizar los componentes del electrolito, detectar impurezas y garantizar una movilidad iónica adecuada. La espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) es otra técnica utilizada para evaluar el rendimiento de los electrolitos en términos de resistencia y difusión de iones.

Las pruebas analíticas también implican evaluar los parámetros de rendimiento de la batería, como la capacidad, la densidad de energía, el ciclo de vida y las características de seguridad. Generalmente se emplean técnicas como voltamperometría cíclica, pruebas de carga-descarga galvanostática, calorimetría diferencial de barrido (DSC) y análisis de estabilidad térmica. Estas pruebas evalúan la capacidad de la batería para almacenar y entregar energía de manera eficiente, monitorear su degradación a lo largo del tiempo y garantizar el cumplimiento de los estándares de seguridad.24

Después de la producción de la batería, las pruebas analíticas continuas son esenciales para el seguimiento posproducción y el control de calidad. Esto incluye muestreos y pruebas periódicas de lotes de baterías para verificar la coherencia y el cumplimiento de las especificaciones. Las técnicas utilizadas durante esta fase pueden implicar los mismos métodos mencionados anteriormente, centrándose en la verificación del rendimiento, la evaluación de la seguridad y la coherencia entre lotes.

La creciente demanda de almacenamiento de energía en diversos sectores, incluidos los vehículos eléctricos y los sistemas de energía renovable, hace que el desarrollo de baterías sea un campo tecnológico prometedor.25 Los fabricantes de automóviles se esfuerzan por aumentar la autonomía de conducción de los vehículos eléctricos, reducir los tiempos de carga y mejorar el rendimiento general del vehículo. La tecnología de las baterías seguirá evolucionando, apuntando a mayores densidades de energía, ciclos de vida más largos, capacidades de carga más rápidas, mejor gestión térmica y seguridad. Los investigadores seguirán explorando nuevos materiales para electrodos, como ánodos a base de silicio, electrolitos de estado sólido y químicas catódicas avanzadas (por ejemplo, formulaciones ricas en níquel) para mejorar el rendimiento general.

Con un creciente énfasis en el desarrollo de baterías sustentables y respetuosas con el medio ambiente, se espera una reducción en la dependencia de materias primas críticas como el cobalto y el níquel, que a menudo están asociadas con preocupaciones sociales y ambientales. Es posible que se vuelvan populares las químicas alternativas que utilizan materiales más abundantes y respetuosos con el medio ambiente, como baterías de iones de sodio, de iones de zinc y de litio-azufre.

Las preocupaciones de seguridad actualmente asociadas con las baterías de iones de litio continúan impulsando el desarrollo de baterías de estado sólido que ofrecen beneficios como mayor densidad de energía, mayor seguridad y rangos de temperatura de funcionamiento más amplios.26 Si bien aún se encuentran en la fase de investigación y desarrollo, las baterías de estado sólido tienen la Potencial para revolucionar las aplicaciones de almacenamiento de energía, especialmente en los vehículos eléctricos. La industria de las baterías desempeñará un papel crucial para satisfacer estas demandas mediante la innovación continua y la ampliación de las capacidades de producción. Los sistemas de almacenamiento de energía a escala de red, que utilizan baterías a gran escala, serán necesarios para estabilizar las redes eléctricas, gestionar los picos de demanda y almacenar el exceso de energía renovable procedente de fuentes como la solar y la eólica.

La industria de las baterías necesitará desarrollar soluciones rentables y eficientes para satisfacer las crecientes demandas del almacenamiento de energía a escala de red. En particular, a medida que aumenta el volumen de baterías en uso, se enfatiza la importancia del reciclaje de baterías y las aplicaciones de segunda vida. Establecer una infraestructura y procesos de reciclaje sólidos será esencial para recuperar materiales valiosos y minimizar el impacto ambiental. Por ejemplo, las baterías de vehículos eléctricos retiradas se pueden reciclar o reutilizar para almacenamiento de energía estacionario, extendiendo su vida útil y reduciendo el desperdicio. Como ocurre con muchas industrias, la investigación y fabricación de baterías en el futuro probablemente experimentarán una importante digitalización15 y se beneficiarán de la asistencia informática, como el aprendizaje automático27 y la inteligencia artificial.28

1. Sarma DD, Shukla AK. Construyendo mejores baterías: un viaje en el tiempo. ACS Energía Lett. 2018;3(11):2841-2845. doi:10.1021/acsenergylett.8b01966

2. Bastante bien JB. Cómo hicimos la batería recargable de iones de litio. Nat Electron. 2018;1(3):204. doi:10.1038/s41928-018-0048-6

3. Suficientemente bueno JB, Park KS. La batería recargable de iones de litio: una perspectiva. J Am Chem Soc. 2013;135(4):1167-1176. doi:10.1021/ja3091438

4. Dutta A, Mitra S, Basak M, Banerjee T. Una revisión exhaustiva de baterías y supercondensadores: desarrollo y desafíos desde sus inicios. Almacen de energia. 2023;5(1). doi:10.1002/est2.339

5. Lankey RL, McMichael FC. Métodos de ciclo de vida para comparar baterías primarias y recargables. Tecnología de ciencia ambiental. 2000;34(11):2299-2304. doi:10.1021/es990526n

6. Invierno M, Brodd RJ. ¿Qué son las baterías, las pilas de combustible y los supercondensadores? Chem Rev. 2004;104(10):4245-4269. doi:10.1021/cr020730k

7. Smith MJ, Gray FM. Baterías, desde la cuna hasta la tumba. J Chem Educación. 2010;87(2):162-167. doi:10.1021/ed800053u

8. Arora P, Zhang ZJ. Separadores de baterías. Chem Rev. 2004;104(10):4419-4462. doi:10.1021/cr020738u

9. Volta A. Sobre la electricidad excitada por el mero contacto de sustancias conductoras de diferentes tipos. En carta del Sr. Alexander Volta, f. RS Profesor de filosofía natural en la Universidad de Pavía, al rt. Honorable. Señor Joseph Banks, bart. Transacciones filosóficas KBPRS de la Royal Society de Londres. 1800;90. Consultado el 7 de junio de 2023. http://www.jstor.org/stable/107060

10. Zhang H, Liu X, Li H, Hasa I, Passerini S. Desafíos y estrategias para baterías recargables de electrolitos acuosos de alta energía. Angew Chem Int Ed. 2021;60(2):598-616. doi:10.1002/anie.202004433

11. Liang Y, Yao Y. Diseño de baterías acuosas modernas. Nat Rev Mater. 2023;8(2):109-122. doi:10.1038/s41578-022-00511-3

12. Frith JT, Lacey MJ, Ulissi U. Una perspectiva no académica sobre el futuro de las baterías de litio. Comuna Nacional. 2023;14(1):420. doi:10.1038/s41467-023-35933-2

13. Wang F, Borodin O, Ding MS, et al. Electrolito híbrido acuoso/no acuoso para baterías de iones de litio seguras y de alta energía. Joule. 2018;2(5):927-937. doi:10.1016/j.joule.2018.02.011

14. Famprikis T, Canepa P, Dawson JA, Islam MS, Masquelier C. Fundamentos de electrolitos inorgánicos de estado sólido para baterías. Nat Mater. 2019;18(12):1278-1291. doi:10.1038/s41563-019-0431-3

15. Ayerbe E, Berecibar M, Clark S, Franco AA, Ruhland J. Digitalización de la fabricación de baterías: estado actual, desafíos y oportunidades. Materia energética avanzada. 2022;12(17):2102696. doi:10.1002/aenm.202102696

16. Wang Q, Mao B, Stoliarov SI, Sun J. Una revisión de los mecanismos de falla de las baterías de iones de litio y las estrategias de prevención de incendios. Ciencia de combustión de energía progresiva. 2019;73:95-131. doi:10.1016/j.pecs.2019.03.002

17. Dubarry M, Baure G. Perspectiva sobre las pruebas de baterías comerciales de iones de litio, mejores prácticas para protocolos simples y efectivos. Electrónica. 2020;9(1):152. doi:10.3390/electrónica9010152

18. Konarov A, Voronina N, Jo JH, Bakenov Z, Sun YK, Myung ST. Perspectiva presente y futura de los materiales de electrodos para baterías recargables de iones de zinc. ACS Energía Lett. 2018;3(10):2620-2640. doi:10.1021/acsenergylett.8b01552

19. Zanotto FM, Domínguez DZ, Ayerbe E, et al. Especificaciones de datos para la digitalización de la fabricación de baterías: estado actual, desafíos y oportunidades. Supercaps de bateador. 2022;5(9). doi:10.1002/batt.202200224

20. Santos CS, Botz A, Bandarenka AS, Ventosa E, Schuhmann W. Microscopía electroquímica correlativa para el esclarecimiento de las propiedades iónicas y electrónicas locales de la interfase de electrolito sólido en baterías de iones de litio. Angew Chem Int Ed. 2022;61(26):e202202744. doi:10.1002/ani.202202744

21. Strange LE, Li X, Wornyo E, Ashaduzzaman M, Pan S. Microscopía electroquímica de barrido para obtener imágenes químicas y comprender las actividades redox de los materiales de las baterías. Imágenes químicas y biomédicas. 2023;1(2):110-120. doi:10.1021/cbmi.3c00014

22. Tetteh EB, Valavanis D, Daviddi E, et al. Dinámica y almacenamiento rápido de iones de litio en grupos de nanopartículas de tio2 investigados mediante microscopía de células electroquímicas de barrido inteligente. Angew Chem Int Ed. 2023;62(9):e202214493. doi:10.1002/anie.202214493

23. Martín-Yerga D, Milán DC, Xu X, et al. Dinámica de la formación de interfases de electrolito sólido en electrodos de silicio revelada mediante cribado electroquímico combinatorio. Angew Chem Int Ed. 2022;61(34):e202207184. doi:10.1002/ani.202207184

24. Chen R, Li Q, Yu X, Chen L, Li H. Acercándose a baterías de estado sólido prácticamente accesibles: problemas de estabilidad relacionados con electrolitos sólidos e interfaces. Chem Rev.2020;120(14):6820-6877. doi:10.1021/acs.chemrev.9b00268

25. Silva J, Távora G, Mendonça S. Reconfigurando el panorama del almacenamiento de energía. Prospectiva y Gobernanza CTI. 2023;17(1):34-50. doi:10.17323/2500-2597.2023.1.34.50

26. Janek J, Zeier WG. Desafíos para acelerar el desarrollo de baterías de estado sólido. Energía Nacional. 2023;8(3):230-240. doi:10.1038/s41560-023-01208-9

27. Gao T, Lu W. Aprendizaje automático hacia dispositivos y sistemas avanzados de almacenamiento de energía. iCiencia. 2021;24(1):101936. doi:10.1016/j.isci.2020.101936

28. Lombardo T, Duquesnoy M, El-Bouysidy H, et al. Inteligencia artificial aplicada a la investigación de baterías: ¿bombo o realidad? Chem Rev.2022;122(12):10899-10969. doi:10.1021/acs.chemrev.1c00108