Batería secundaria
Las baterías secundarias de iones de litio (LiB) se inventaron en Japón y se han extendido por todo el mundo. Con la tendencia hacia equipos electrónicos más compactos y móviles, las aplicaciones son cada vez mayores. Esta miríada de aplicaciones abarca dispositivos móviles compactos y de perfil delgado, como teléfonos inteligentes, tabletas y computadoras portátiles; baterías para vehículos eléctricos e híbridos; y sistemas de almacenamiento de electricidad para sistemas residenciales de energía solar y pilas de combustible. En consecuencia, la investigación y las mejoras de las baterías secundarias han dado lugar a una mayor miniaturización, mayores capacidades y una mayor seguridad.
Además, se han realizado ampliamente estudios sobre baterías de iones de litio de estado sólido, en las que el electrolito líquido y los separadores se sustituyen por electrolitos sólidos, para su uso práctico y popularización en el futuro. Se espera que las baterías de estado sólido sean la próxima generación de baterías debido a su mayor densidad energética, su estructura libre de electrolitos líquidos para reducir la posibilidad de ignición y su alta flexibilidad de diseño. En la actualidad, se está investigando la producción de grandes volúmenes mediante el uso de recubrimientos para muchas situaciones.
- Adhesión en la fabricación de baterías secundarias
- Funcionalización y procesamiento de superficies en la fabricación de baterías secundarias
Adhesión en la fabricación de baterías secundarias
Las carcasas de las baterías secundarias de iones de litio tienen varias formas, como la cilíndrica, la cuadrada y la de bolsa (laminada), dependiendo del uso final. Los procesos de fabricación también varían para cada tipo. Las pilas laminadas contienen un electrodo estratificado (elemento en capas) sellado con una película laminada que consiste en una hoja de aluminio y una película de resina unidas con un recubrimiento adhesivo. La demanda de celdas laminadas está aumentando porque las celdas son más delgadas y ligeras en comparación con los tipos de latas metálicas, tienen una forma flexible y se pueden desechar fácilmente con poca carga medioambiental.
- Adhesión en la fabricación de pilas laminadas
- Las celdas de baterías secundarias de iones de litio están formadas por un electrodo estratificado completamente sellado (elemento en capas) que consiste en capas alternas de electrodos positivos y negativos con separadores entre ellos. Las pilas laminadas son capaces de alcanzar altas capacidades a pesar de su estructura delgada y liviana. También pueden suprimir los aumentos de temperatura durante la carga/descarga debido a la gran disipación de calor de la gran superficie. Otra ventaja es su bajo costo de fabricación, ya que pueden producirse en masa utilizando equipos de recubrimiento.
- A. Película laminada
- B. Electrodo estratificado (elemento en capas)
- C. Pestaña
- D. Electrodo positivo
- E. Separador
- F. Electrodo negativo
La película laminada que se utiliza para sellar y empaquetar las celdas laminadas (A en la figura anterior) suele estar hecha de papel de aluminio y película de resina. Las celdas se recubren con un adhesivo especial, unido mediante laminación, y se utiliza para sellar el electrodo estratificado y el electrolito. El adhesivo utilizado para la película laminada debe ofrecer tanto una alta adhesión a sustratos diferentes (papel de aluminio y película de resina) como resistencia al electrolito fuertemente ácido del interior.
Funcionalización y procesamiento de superficies en la fabricación de baterías secundarias
El recubrimiento es una tecnología fundamental en el proceso de fabricación de baterías secundarias de iones de litio (LiB). Los materiales específicos que recubren el sustrato funcionan como electrodo positivo (ánodo), electrodo negativo (cátodo) y separador para aislarlos, que se combinan para formar el electrodo estratificado (elemento en capas).
Recubrimiento en la fabricación de baterías secundarias de iones de litio (LiB)
- A. Electrodo negativo (cátodo)
- B. Electrodo positivo (ánodo)
- C. Separador
- D. Electrolito
- E. Carga
- F. Descarga
- G. Colector de corriente
- H. Aglutinante
- I. Material activo
Recubrimiento del electrodo positivo (ánodo)
- Ejemplo de suspensión de electrodo positivo (a base de solvente)
- Se mezclan un material activo, un aditivo conductor, un aglutinante y un solvente orgánico para hacer una suspensión de electrodo positivo (con solvente orgánico sustituido por agua y CMC como espesante para las suspensiones a base de agua).
- Material activo: El material activo que se utilice tendrá un efecto significativo en la capacidad, el voltaje y las características. La selección de materiales (como el óxido de cobalto de litio, el óxido de manganato de litio o el fosfato de hierro de litio), las proporciones de mezcla y los métodos de agitación varían entre los fabricantes.
- Aditivo conductivo: Este aditivo se utiliza para reducir la resistencia interna, mejorando así la conductividad.
- Aglutinante: Los aglutinantes se utilizan para unir los materiales mezclados a la lámina del colector de corriente.
- Solvente orgánico: Este disolvente favorece la mezcla y agitación de los materiales para ajustar la viscosidad de la suspensión hasta que sea adecuada para el recubrimiento.
- Ejemplo de recubrimiento de la suspensión del electrodo positivo
- Se utiliza una máquina de recubrimiento de matriz para recubrir un grosor específico de suspensión de electrodo positivo sobre la hoja de aluminio, que funciona como colector de corriente. El grosor y el peso del electrodo tendrán un efecto significativo en la densidad energética de la batería. Se cree que los recubrimientos de película más gruesos aumentan la capacidad y reducen las características de velocidad. Por otro lado, los recubrimientos de película más delgados hacen que las características de velocidad sean más altas y la capacidad más pequeña.
Recubrimiento del electrodo negativo (cátodo)
- Ejemplo de suspensión de electrodo negativo (a base de solvente)
- Se mezclan un material activo, un aglutinante y un solvente orgánico para hacer una suspensión de electrodo negativo (con solvente orgánico sustituido por agua y CMC como espesante para las suspensiones a base de agua).
- Material activo: Se utiliza un material de carbono altamente conductivo (como el plomo negro o el titanato de litio). En algunos casos, también se puede utilizar un aditivo conductor para el electrodo negativo para reducir la resistencia interna. Al igual que con la suspensión del electrodo positivo, el material activo que se utilice tendrá un efecto significativo en la capacidad, el voltaje y las características. La selección de materiales, las proporciones de mezcla y los métodos de agitación varían entre los fabricantes.
- Aglutinante: Los aglutinantes se utilizan para unir los materiales mezclados a la lámina del colector de corriente.
- Solvente orgánico: Este disolvente favorece la mezcla y agitación de los materiales para ajustar la viscosidad de la suspensión hasta que sea adecuada para el recubrimiento.
- Ejemplo de recubrimiento de la suspensión del electrodo negativo
- Se utiliza una máquina de recubrimiento de matriz para recubrir un grosor específico de la suspensión de electrodo negativo sobre la lámina de cobre. En general, el electrodo negativo forma una capa de película más delgada que la del electrodo positivo. Los cambios en la capacidad y las características de velocidad de acuerdo con el grosor de la película de recubrimiento son los mismos que con el recubrimiento de electrodo positivo. El equilibrio de la capacidad entre los electrodos positivo y negativo también es importante. En muchos casos, cuando la película de recubrimiento de un lado se hace más gruesa, la película de recubrimiento del otro lado también debe engrosarse.
Proceso de fabricación del separador
A continuación, se describe el proceso de fabricación del separador, que es un componente importante que se utiliza para aislar los electrodos positivo y negativo. El recubrimiento se utiliza para añadir resistencia al calor a la película base.
- Proceso de fabricación de la película base: La película base (una membrana microporosa) se crea a partir de material de poliolefina.
- Proceso de recubrimiento: Se aplica una capa uniforme de fluido de recubrimiento de aramida (que contiene polímero de aramida) sobre la película base para formar una capa resistente al calor.
- Proceso de corte: La película se corta al tamaño necesario.
Los EVs (vehículos eléctricos) y las baterías de almacenamiento domésticas, que son cada vez más populares, utilizan LiBs laminadas que contienen electrodos estratificados (elementos en capas).
El proceso de fabricación de los electrodos estratificados utiliza electrodos positivos y negativos que se han cortado en láminas para su apilamiento. Se coloca una lámina de electrodo negativo como capa más externa, y luego se apilan sobre ella los demás componentes en el orden de separador, electrodo positivo, separador, electrodo negativo, y así sucesivamente. Estos componentes apilados se empaquetan con electrolito para crear una celda.
Tema: Control de la calidad del recubrimiento en la fabricación de baterías
El grosor del recubrimiento de los materiales de los electrodos tiene un efecto significativo en las características de capacidad, voltaje y velocidad. Para garantizar una producción en masa que satisfaga el rendimiento y las especificaciones diseñadas, es necesario garantizar un recubrimiento continuo y uniforme para mantener el espesor objetivo. Cualquier problema en la superficie recubierta, como variaciones de grosor o porciones elevadas, tendrá un efecto significativo en la calidad y el rendimiento de la batería. Por ello, es importante la medición y el control en línea de alta velocidad y alta precisión de las superficies recubiertas.
La introducción del sensor de desplazamiento confocal, capaz de realizar mediciones en línea de alta velocidad y alta precisión, garantiza una medición y un control estables del grosor sin verse afectado por superficies rugosas o un material en el que el láser no se refleje bien.
Ejemplo de introducción: Medición del grosor del recubrimiento de materiales opacos
Los defectos de recubrimiento, incluidas las porciones de borde elevadas causadas por un grosor excesivo de los bordes, se pueden detectar en línea mediante el uso del escáner láser 2D/3D de alta velocidad, que utiliza un haz láser ancho emitido a través de una hendidura para medir las formas.
Ejemplo de introducción: Medición de las formas de los extremos
