Observación y análisis de baterías de iones de litio y de próxima generación
Con la creciente demanda de aplicaciones en equipos eléctricos y electrónicos, como dispositivos electrónicos más pequeños y delgados, baterías para vehículos que requieren grandes capacidades y seguridad, y sistemas residenciales de almacenamiento de energía, las baterías de iones de litio se han convertido en un campo industrial importante. Las capacidades de almacenamiento y las velocidades de carga de las baterías de iones de litio han experimentado mejoras crecientes. Al mismo tiempo, estas baterías presentan riesgos que no se pueden pasar por alto, como la ignición y la generación de calor y humo. Para reducir estos riesgos, es importante garantizar la seguridad en la investigación y el desarrollo, la garantía de calidad y el control de calidad.
Debido a la intensa competencia y al rápido ciclo de los productos, la observación y el análisis de estas baterías deben realizarse lo más rápidamente posible. En esta sección se incluyen conocimientos básicos sobre las baterías de iones de litio y de próxima generación, así como ejemplos de los últimos métodos para mejorar drásticamente la observación y el análisis.
- Estructura básica, tipos y materiales de las baterías de iones de litio
- Observación y análisis de las baterías secundarias
- Ejemplos más recientes de la observación y el análisis de las baterías de iones de litio
- Un microscopio que revoluciona la investigación y el desarrollo y la garantía/control de calidad de las baterías de iones de litio y de próxima generación
Estructura básica, tipos y materiales de las baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio, que son baterías secundarias denominadas LiB para abreviar, se utilizan habitualmente para dispositivos electrónicos más pequeños y delgados, como teléfonos inteligentes, tabletas, dispositivos para llevar puestos y computadoras portátiles; baterías para vehículos eléctricos (EV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV); y sistemas de almacenamiento de energía para energía fotovoltaica residencial y pilas de combustible. Con la ampliación de las aplicaciones, las baterías de iones de litio se fabrican ahora con diversas estructuras y formas. Siga leyendo para obtener explicaciones sobre la estructura básica, las formas típicas y algunos otros elementos relacionados con las baterías de iones de litio.
Estructura básica de las baterías de iones de litio
Aquí se explica cada parte de una batería de iones de litio, incluyendo sus funciones, con una figura que muestra un ejemplo típico de la estructura básica de estas baterías.
- A) Electrodo negativo (cátodo): Los materiales altamente conductores a base de carbono (grafito, titanato de litio, etc.) se recubren sobre una lámina de cobre.
- B) Electrodo positivo (ánodo): Los óxidos compuestos de litio (litio, manganeso, cobalto, níquel y fosfato de hierro, etc.) se recubren con papel de aluminio.
- C) Separador: Se trata de una membrana microporosa fabricada a partir de un compuesto químico llamado poliolefina (algunos ejemplos son el polietileno [PE] y el polipropileno [PP]). La membrana tiene pequeños agujeros (1 micrómetro o menos) en la superficie. El separador aísla los electrodos positivo y negativo y evita los incendios provocados por el contacto entre ellos.
- D) Electrolito: La sal de litio se disuelve en un disolvente orgánico.
- E) Carga
- F) Descarga
- G) Colector de corriente: Desempeña las funciones de conductor eléctrico para recoger la electricidad generada y de material de soporte. El electrodo positivo es una lámina de aluminio y el negativo una lámina de cobre.
- H) Aglutinante: Se utiliza para unir materiales mixtos en la lámina del colector de corriente.
- I) Material activo: Afecta significativamente la capacidad, el voltaje y las características. Hay varios materiales para utilizar (como el óxido de cobalto de litio, el óxido de manganeso de litio y el fosfato de hierro de litio), proporciones de mezcla y métodos de agitación.
Formas de las baterías de iones de litio
Las celdas de las baterías de iones de litio, que tienen la estructura interna presentada anteriormente, están cubiertas con carcasas de diversas formas y hechas de diferentes materiales. A continuación, se explican tres formas representativas de las baterías de iones de litio con figuras.
- Tipo de cilindro
-
- A: Terminal del electrodo positivo
- B: Terminal del electrodo negativo
- a: Electrodo positivo
- b: Electrodo negativo
- c: Separador
Se cree que las baterías cilíndricas de iones de litio tienen la mayor densidad de capacidad al menor costo. Sin embargo, cuando se combinan varias celdas en una carcasa, quedan huecos entre ellas, lo que reduce la densidad.
- Tipo prismático
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- a: Electrodo positivo
- b: Electrodo negativo
- c: Separador
Las carcasas de aluminio se utilizan a menudo para las baterías prismáticas de iones de litio. La polaridad de una batería prismática cambia según el material de la carcasa, hierro o aluminio. Una carcasa de hierro tiene el terminal positivo en la parte superior, mientras que una carcasa de aluminio tiene el terminal negativo en la parte superior.
- Tipo laminado (batería de polímero de litio)
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- A: Terminal del electrodo positivo
- B: Terminal del electrodo negativo
- a: Electrodo positivo
- b: Electrodo negativo
- c: Separador
El tipo laminado también se denomina batería de polímero de litio. Debido a que usar una celda laminada con películas puede reducir el grosor de la batería, este tipo se utiliza para dispositivos que necesitan ser más delgados, como los teléfonos inteligentes y las tabletas.
Los electrolitos típicos utilizados para este tipo son geles que contienen polímeros como el óxido de polietileno (PEO), el óxido de polipropileno (PPO) y el difluoruro de polivinilideno (PVDF).
Tipos y características de los materiales utilizados para los electrodos positivos y negativos de las baterías de iones de litio
Las características, las aplicaciones e incluso los costos cambian en función de los materiales utilizados para el electrodo positivo o el electrodo negativo de las baterías de iones de litio. Siga leyendo para conocer algunos tipos típicos y sus características.
- Base de cobalto
Electrodo positivo: Óxido de cobalto y litio LiCoO2/Electrodo negativo: Grafito LiC6 - Las baterías de iones de litio más utilizadas, principalmente en dispositivos móviles. Pero el cobalto es caro y existe el riesgo de fuga térmica, por lo que presentan problemas de seguridad para su uso en vehículos.
- Base de níquel
Electrodo positivo: Óxido de litio y níquel LiNiO2/Electrodo negativo: Grafito LiC6 - Las baterías de iones de litio con base de níquel son las de mayor capacidad. Este tipo de baterías solía plantear problemas de seguridad. Sin embargo, la base NCA, producida mediante la sustitución de una parte del níquel por cobalto y la adición de aluminio, ha mejorado la seguridad de este tipo, haciendo posible su uso en vehículos eléctricos híbridos enchufables.
- Base de manganeso
Electrodo positivo: Óxido de litio y manganeso LiMn2O4/Electrodo negativo: Grafito LiC6 - Las baterías de iones de litio con base de manganeso (base LMO) son las más utilizadas en los vehículos porque el manganeso es barato, aproximadamente una décima parte del cobalto, y su estructura cristalina rígida es muy segura porque tiene una alta estabilidad térmica.
- Base de fosfato de hierro
Electrodo positivo: Fosfato de hierro y litio LiFePO4/Electrodo negativo: Grafito LiC6 - Las baterías de iones de litio que utilizan fosfato de hierro tienen una estructura cristalina que es muy segura porque es difícil de romper incluso cuando se calienta en las baterías. Otra ventaja es que este tipo se puede fabricar a un costo incluso inferior al de las baterías basadas en manganeso que utilizan hierro. Una desventaja de este tipo es su baja densidad energética.
- Base de tres componentes
Electrodo positivo: El níquel y el manganeso sustituyen a una parte del óxido de cobalto y litio Li(Ni-Co-Mn)O2/Electrodo negativo: Grafito LiC6 - Las baterías de iones de litio de tres componentes, también llamadas baterías basadas en NCM, utilizan tres componentes —cobalto, níquel y manganeso— para aumentar la seguridad. Al igual que las baterías basadas en NCA, este tipo se utiliza en los vehículos eléctricos híbridos enchufables.
- Base de ácido titánico
Electrodo positivo: Óxido de litio y manganeso LiMn2O4/Electrodo negativo: Titanato de litio Li4Ti5O12 - Las baterías de iones de litio con base de ácido titánico tienen una larga vida útil, aproximadamente seis veces superior a la de las baterías de iones de litio convencionales que utilizan grafito para el electrodo negativo, y además se cargan muy rápidamente. Sin embargo, tienen una baja densidad energética, lo que supone una desventaja.
Observación y análisis de las baterías secundarias
Paralelamente a las modificaciones y mejoras de rendimiento de las baterías de iones de litio, cada fabricante está promoviendo el desarrollo de la próxima generación de baterías secundarias. Siga leyendo para conocer los tipos y características de las baterías representativas de la próxima generación que se espera que estén disponibles y sean populares. También se proporciona un resumen de los problemas en la observación y el análisis en la industria de baterías secundarias, donde los fabricantes compiten ferozmente.
Baterías de próxima generación que se espera que estén disponibles y sean populares
Con la ampliación de las aplicaciones, como el uso en vehículos eléctricos (EV), se espera que las baterías secundarias de próxima generación sean aún más seguras y tengan capacidades aún mayores. Muchas empresas, independientemente de su escala, están trabajando en el desarrollo de baterías secundarias de próxima generación como una forma de mejorar el futuro de su negocio.
- Batería de litio-aire
- Algunos estudios sugieren que la densidad de capacidad puede, en teoría, superar los 10000 Wh/kg. En las pruebas, se ha confirmado que esta característica alcanza aproximadamente 600 Wh/kg. Sin embargo, es fácil que se formen depósitos en el metal de litio, que se utiliza para el electrodo negativo. Por ello, la seguridad de este metal puede disminuir y sus características pueden deteriorarse cuando reacciona con la humedad del aire.
- Batería de estado sólido
- Una batería de estado sólido utiliza un electrolito sólido como separador en lugar de los electrolitos líquidos que se utilizan en las baterías de iones de litio. Esto permite que las baterías de estado sólido se fabriquen con distintas formas y que no haya fugas de líquido. Se cree que la densidad de capacidad teórica es de al menos 2000 Wh/kg. Sin embargo, esto es sólo un valor teórico. Actualmente se está investigando y desarrollando con el objetivo de poner este tipo de batería en uso práctico con una densidad de capacidad objetivo de 500 Wh/kg o más. Este tipo de batería puede cargarse y descargarse a altas velocidades y es difícil que se deteriore incluso después de muchos ciclos de carga.
Los electrolitos sólidos están disponibles en dos tipos: a base de azufre y a base de oxígeno. El electrolito a base de azufre tiene características superiores, pero presenta el riesgo de generar sulfuro de hidrógeno cuando se enciende o interactúa con el agua. La fabricación de baterías de estado sólido ha comenzado con las pequeñas para dispositivos electrónicos.
- Batería de iones de litio de próxima generación
- El silicio y el grafeno se utilizan para el electrodo negativo. Este tipo de batería se está investigando y desarrollando para aumentar la capacidad mientras se utilizan los procesos de fabricación existentes. Los investigadores están especialmente interesados en esta batería debido a su capacidad para aumentar las velocidades de carga y descarga al cambiar a diferentes electrolitos.
- Batería de litio-azufre
- Las baterías de litio-azufre pueden tener, en teoría, una densidad de capacidad de 2500 Wh/kg, superior a la de las baterías de estado sólido, y no utilizan materiales caros como el cobalto. Con estas características, se pueden esperar grandes capacidades a bajo costo. Al mismo tiempo, las baterías de litio-azufre tienen una baja conductividad y poca estabilidad y pueden deteriorarse cuando se cargan muchas veces.
- Batería de iones de sodio
- Aunque la densidad de capacidad es igual o ligeramente inferior a la de las actuales baterías de iones de litio, las baterías de iones de sodio se pueden fabricar a bajo costo porque no se necesita ningún metal raro y se pueden aplicar los equipos de fabricación existentes. Al igual que las actuales baterías de iones de litio, las de iones de sodio presentan problemas de seguridad, como la alta reactividad de los depósitos de sodio, y sus características pueden deteriorarse tras muchos ciclos de carga.
Problemas en la observación y el análisis con microscopios convencionales
Los fabricantes compiten por desarrollar baterías de iones de litio más seguras que tengan un mayor rendimiento y por producir tecnologías superiores antes que su competencia, lo que requiere garantía y control de calidad.
Por lo tanto, la observación, el análisis, la evaluación cuantitativa e incluso la velocidad de estas operaciones son importantes y constituyen factores clave para el éxito tanto de las pruebas como de la garantía de calidad en el desarrollo y la mejora de las baterías secundarias.
Al mismo tiempo, la observación y el análisis utilizando microscopios convencionales presentan los siguientes problemas.
- El ajuste del enfoque y la determinación de las condiciones de iluminación son difíciles en el caso de los objetivos tridimensionales o de los objetos que presentan rayones sutiles con bajo contraste. En estos objetos, la posición de enfoque varía de un operador a otro, lo que genera errores en los resultados de la evaluación.
- Puede producirse un deslumbramiento durante la observación de áreas que contienen una mezcla de materiales que tienen diferentes superficies brillantes. Es difícil determinar los ajustes de iluminación apropiados para observar estos objetos, lo que a menudo provoca errores en el análisis.
- Se necesita tiempo y esfuerzo para alinear una muestra y cambiar el ángulo.
- Para contar los contaminantes y observar de cerca las partículas extrañas de acuerdo con las normas industriales aplicables, la configuración puede ser engorrosa y requerir mucho tiempo y esfuerzo. Además, se requiere un alto nivel de experiencia para adquirir resultados de análisis y valores cuantitativos precisos.
- Los valores medidos y los conteos no se almacenan como datos numéricos, lo que requiere mucho tiempo y esfuerzo para el trabajo posterior, como el análisis, la evaluación y la creación de informes.
Si está experimentando los problemas anteriores, vea a continuación ejemplos sobre cómo el Microscopio Digital Serie VHX de KEYENCE le permite a cualquier usuario capturar imágenes de alta resolución completamente enfocadas y datos precisos.
Ejemplos más recientes de la observación y el análisis de las baterías de iones de litio
Con el reciente progreso tecnológico de los microscopios digitales, cada parte de una batería secundaria puede ser observada rápida y claramente incluso con grandes aumentos. Los últimos microscopios digitales pueden ahorrar mucho tiempo a la hora de realizar mediciones dimensionales, análisis de contaminación (partículas extrañas) y crear informes con las imágenes y los datos numéricos.
Con lentes de alta resolución, un sensor de imagen CMOS 4K y la capacidad de ajustar automáticamente el enfoque y las condiciones de iluminación, el Microscopio Digital Serie VHX de KEYENCE puede capturar imágenes completamente enfocadas y mediciones precisas de las baterías secundarias con mayor eficiencia en comparación con los sistemas convencionales.
Vea a continuación ejemplos de observación y análisis de baterías de iones de litio utilizando la Serie VHX.
Conteo de partículas extrañas (análisis de contaminación que cumple con las normas ISO)
La Serie VHX puede medir la contaminación de acuerdo con las normas de limpieza ISO 16232 y VDA 19. Utilizando la función de medición de área/conteo automáticos, la contaminación (partículas extrañas) se puede contar y medir con facilidad y precisión, incluso en objetos con irregularidades superficiales.
Utilizando las funciones avanzadas de la Serie VHX, los usuarios pueden seleccionar un contaminante específico y la plataforma se moverá automáticamente a ese lugar, permitiendo observar de cerca el contaminante seleccionado con grandes aumentos en la misma imagen. Como resultado, las partículas extrañas pueden identificarse fácilmente en un tiempo más corto en comparación con el uso de microscopios convencionales. Además, al combinar las funciones de composición de profundidad y de medición de altura en 3D, los usuarios pueden observar y cuantificar fácilmente las mediciones incluso en objetos que presentan irregularidades en la superficie.
Observación de rayones en separadores
El cabezal totalmente integrado (FI) de la Serie VHX puede cambiar automáticamente de objetivo y ajustar sin problemas el aumento de 20x a 6000x. Nuestra unidad de iluminación incorporada permite que la Serie VHX observe claramente cualquier objetivo utilizando campo claro, campo oscuro, luz polarizada y contraste de interferencia diferencial (DIC).
Por ejemplo, los sutiles rayones en las superficies de los separadores, que son difíciles de observar con microscopios convencionales, se pueden visualizar fácil y rápidamente en una imagen de alta resolución capturada mediante DIC.
Observación de materiales de electrodos negativos pelados
El Microscopio Digital Serie VHX tiene una gran profundidad de campo y métodos de observación avanzados, lo que permite obtener imágenes de alta resolución y completamente enfocadas en todo el campo de observación, incluso si el objeto tiene una superficie brillante.
Además, con la función de iluminación múltiple, los datos de la imagen se capturan automáticamente con iluminación omnidireccional con sólo pulsar un botón. La imagen con iluminación óptima se puede adquirir seleccionando la más adecuada de entre las imágenes capturadas. Dado que también se almacenan imágenes distintas a la seleccionada, los usuarios pueden acceder fácilmente a las otras imágenes capturadas bajo diferentes condiciones de iluminación en cualquier momento. Además, las condiciones utilizadas para capturar una imagen pasada pueden reproducirse automáticamente y utilizarse para observar una muestra diferente del mismo tipo, lo que reduce los errores humanos en la observación y la evaluación.
Observación de secciones soldadas en carcasas de las baterías
La calidad de la soldadura utilizada para sellar la tapa o cubierta de las carcasas cuadradas es muy importante para garantizar la seguridad de las baterías de iones de litio.
El uso del modo óptico efecto de sombra en la Serie VHX, les permite a los usuarios visualizar fácilmente las sutiles irregularidades de la superficie mediante el análisis del desplazamiento (contraste) en una imagen capturada con iluminación omnidireccional.
La información de color se puede superponer a la imagen del modo óptico efecto de sombra para visualizar la información de la irregularidad de la superficie de una manera fácil de entender, representando la información de la irregularidad de la superficie con diferentes colores (mapeo de color).
No sólo puede medir con precisión las irregularidades de la superficie en la imagen seleccionada, sino que también puede utilizar las imágenes almacenadas tomadas de la misma muestra, lo que ahorra tiempo, ya que ya no necesitará volver a capturar las imágenes como con los sistemas convencionales.
Dado que se puede instalar Excel en la Serie VHX, todas las imágenes y los datos de las mediciones se pueden enviar automáticamente a un informe, lo que reduce considerablemente la cantidad de tiempo dedicado a la creación de informes.
Un microscopio que revoluciona la investigación y el desarrollo y la garantía/control de calidad de las baterías de iones de litio y de próxima generación
El Microscopio Digital Serie VHX es una poderosa herramienta que puede mejorar los procesos de inspección utilizando imágenes de alta resolución y datos numéricos cuantitativos. Esta herramienta permite incluso que los usuarios principiantes capturen rápidamente imágenes 4K, datos de medición precisos y que realicen análisis de contaminación/conteo de partículas extrañas con sólo pulsar un botón.
Dado que el mercado de las baterías secundarias es muy competitivo, es esencial que las empresas puedan utilizar el Microscopio Digital Serie VHX para observar, analizar y crear rápidamente informes de sus hallazgos.
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