Materiales del ánodo

Las baterías de iones de litio utilizan diversos materiales del ánodo, cada uno con distintas propiedades que afectan el rendimiento, la capacidad y la longevidad. A continuación, se presentan los tipos principales de materiales del ánodo utilizados en baterías de iones de litio:

Ánodos basados en intercalación

Los ánodos basados en intercalación son materiales en capas y pueden almacenar iones de litio entre las capas.

• El grafito y el carbono son los materiales del ánodo más utilizados debido a su alta conductividad eléctrica, bajo costo y estructura estable con intercalación reversible de iones de litio. Sin embargo, tiene una capacidad relativamente menor en comparación con algunos materiales más nuevos. Los carbonos duros se utilizan como ánodos en baterías de iones de sodio.
• El óxido de titanio de litio (LTO) es conocido por su excelente estabilidad y seguridad en los ciclos. El LTO no experimenta cambios significativos en el volumen durante la inserción y extracción del litio. Sin embargo, tiene una conductividad más baja y funciona a un voltaje más alto en comparación con otros materiales del ánodo, lo que limita su capacidad.

Ánodos basados en aleación

Los ánodos basados en aleación son metales o sus óxidos (óxidos de silicio, germanio, estaño, antimonio y silicio/estaño) que pueden formar una aleación con litio.

El silicio ofrece una capacidad teórica significativamente más alta que el grafito, que se puede extender hasta diez veces más. Sin embargo, el silicio experimenta una importante expansión del volumen durante el ciclo, lo que puede provocar una falla mecánica y una vida útil reducida del ciclo. La investigación está en curso para desarrollar compuestos de silicio que mitigan estos problemas, algunos de los cuales ya se comercializan.

Ánodos de conversión

Los ánodos de conversión son MX (M = Fe, CO, Mn, Ni, Cu, Cr, Mo y X = O, P, S, N) que se convierten a (Li_yX + M) tras cargar. Estos materiales se están investigando por sus propiedades electroquímicas únicas y sus beneficios potenciales, como la mejora de la capacidad de velocidad. Sus desventajas son la histéresis de voltaje y la expansión de gran volumen.

Ánodos nanoestructurados

Los avances recientes se centran en los materiales del ánodo nanoestructurado que mejoran el área de superficie y reducen las rutas de difusión de iones de litio. Estos pueden incluir varias combinaciones de materiales a base de carbono, silicio y metales de transición diseñados como partículas o compuestos core-shell para mejorar las métricas de rendimiento, como la capacidad y la estabilidad de los ciclos.

La calidad de los materiales del ánodo puede optimizarse midiendo y controlando los siguientes parámetros:

• Evaluación del tamaño y la forma de la partícula
• Estructura cristalina y defectos
• Impurezas

Obtenga más información sobre cómo controlarlas a continuación.

Tanto si produce sus propios materiales activos como si los compra a sus proveedores, el tamaño y la forma de las partículas son los parámetros que definen no solo el rendimiento de la batería, sino también el proceso ininterrumpido de producción de alto rendimiento. 

El tamaño y la forma de las partículas determinan la reología de la pulpa del electrodo, la densidad/porosidad del revestimiento del electrodo y, en última instancia, el rendimiento de la batería. La mejor manera de medirlos es con una combinación de difracción láser e imágenes ópticas automatizadas.

Mastersizer 3000+

Obtenga los datos que necesita, con resultados confiables.

La gama Mastersizer de analizadores de tamaño de partículas por difracción láser establece el estándar para la obtención de distribuciones de tamaño de partículas rápidas y precisas. Con su amplia gama de tamaños y la mejor precisión de su clase, Mastersizer 3000+ es la herramienta que necesita para la clasificación de partículas del ánodo desde 0,01 hasta 3500 micrómetros. Y cuando obtenga resultados inesperados en su muestra, dispondrá de las herramientas Size Sure y de orientación de datos para seguir investigando. Si sumamos la flexibilidad, la facilidad de uso y el accesorio Hydro Insight para obtener imágenes dinámicas, el Mastersizer es realmente la mejor opción para la clasificación de partículas y mucho más.

La calidad de la fase cristalina es otro parámetro fundamental que afecta el rendimiento de los materiales de la batería, como la energía específica y la velocidad o capacidad de descarga. En el caso de los materiales para el ánodo de las baterías, los parámetros más importantes son el grado de grafitización, el índice de orientación y el tamaño del cristalito de los materiales de grafito. El tamaño de la cristalita también puede dar una idea sobre el tamaño de la partícula de los materiales activos nanocristalinos, como el ánodo a base de silicio. 

Aeris XRD

El futuro es compacto.

Aeris XRD puede analizar los materiales del ánodo y del cátodo en solo unos minutos, para proporcionar parámetros de calidad como el tamaño del cristalito, el grado de grafitización y el índice de orientación. Se trata de un sistema compacto de XRD de instalación inmediata, construido con robustez y seguridad industrial. Además, puede integrarse fácilmente al proceso con automatización por cinta o robot.

Para los materiales del ánodo, la medición de las concentraciones de dopante e impurezas es fundamental para evaluar su rendimiento. Si es un ánodo de silicio-carbono, entonces la concentración relativa de silicio determina la capacidad y la estabilidad. 

El plasma acoplado inductivamente (ICP, del inglés “Inductively Coupled Plasma”) es una forma común de medir la composición elemental; sin embargo, es costosa, requiere mucho tiempo e involucra sustancias químicas peligrosas. La XRF puede analizar la mayoría de estos materiales con relativa facilidad.

Revontium

Brillo compacto, análisis potente y posibilidades infinitas.

Revontium™ es un analizador compacto de fluorescencia de rayos X (XRF) que ofrece un análisis elemental de alta calidad en un formato compacto de sobremesa. Une el rendimiento de la XRF del sistema de piso y la versatilidad de los instrumentos de sobremesa.

La XRF compacta ocupa menos espacio físico y medioambiental. Su costo de propiedad puede ser más de un 25 % inferior debido a la menor necesidad de consumibles, preparación exhaustiva de muestras y mantenimiento.