Efecto de las propiedades de materiales y parámetros de diseño de los electrodos de baterías de ion litio de alta densidad de energía Público Deposited
Las Baterías de Ion Litio (BIL’s) son sistemas de almacenamiento de energía, que convierten la energía química en energía eléctrica por medio de reacciones electroquímicas. Las BIL’s han sido utilizadas para dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos, solución de almacenamiento de energía para energías renovables, etc. A pesar de que las BIL’s tienen propiedades que sobresalen de otro tipo de baterías como las de plomo ácido, sus propiedades no son adecuadas para otras aplicaciones, como los dispositivos miniaturizados, particularmente los Vehículos Aéreos No Tripulados (VANT’s). Las BIL’s de VANT’s se ven limitadas por su densidad de energía (densidadΓ =196 Wh/kg ) y densidad de potencia (densidadP =429 W/kg ). Para mejorar su diseño no existe una metodología que considere un efecto en conjunto de la evaluación de materiales, propiedades físicas de los electrodos, y su relación con los fenómenos de transporte. Considerando que una BIL exhibe propiedades en múltiples escalas de longitud, en el presente proyecto se propuso una evaluación integral de las propiedades de los materiales desde el nivel de escala de celda (10-4 m) hasta el nivel de la BIL (10-2 m). La evaluación integral consiste en dos etapas teóricas y una etapa experimental. En la primera etapa teórica se seleccionaron los materiales de la BIL mediante una ponderación cualitativa de las características intrínsecas de todos los componentes. La BIL con configuración C6/1 M LiPF6 en EC: DMC (1:1) / LiNiMnCoO2: PVDF-CSP, fue la que presentó mejores características en términos de densidad de energía y densidad de potencia a altas (5C) y bajas velocidades (C/10). Dentro de esta etapa se realizó una ponderación cuantitativa, donde fue posible identificar los parámetros de impacto en las salidas de densidad de potencia y densidad de energía de la BIL. Un aumento de la carga de Material Activo (MA) de 5 a 15 mgMA/cm2 impactó de manera positiva en un 31%; por el contrario, un aumento en los espesores de los colectores de corriente, para el cobre de 9 a 45μm y para el aluminio de 15 a 28μm , impactó de manera negativa hasta un 36%. Tomando en cuenta los factores de impacto antes mencionados, se especificaron las propiedades de la BIL para alcanzar los requerimientos energéticos del VANT comercial, como fue el caso de la carga de material activo (30MA 2cm mg ). Los espesores de los colectores de corriente que permitieron alcanzar estos requerimientos fueron: para el ánodo, cobre 6 de μm y para el cátodo aluminio de 13 μm. El separador por otra parte fue el Celgard 2500 de 20 μm de espesor. En la segunda etapa (experimental) se identificaron los límites de fabricación y operación al nivel del electrodo (10-8-10-6 m). El proceso de calandrado ayudó a tener un control del espesor y la porosidad, así como una mejora en la distribución de las partículas en el electrodo. Por medio de la caracterización electroquímica de electrodos de bajo (100 μm) y alto espesor (200 y 300 μm) se obtuvieron las salidas de densidad de energía y densidad de potencia a velocidades de descarga de C/10, C/5, 1C y 2C donde el electrodo de 200 μm presentó mejor desempeño en términos energéticos a altas velocidades. La tercera etapa teórica fue una herramienta para la interpretación de resultados experimentales; mediante simulaciones se determinó que para el electrodo de 100 μm las pérdidas de capacidad se deben sólo a limitaciones de difusión en la fase sólida. Para los electrodos de 200 y 300 μm las pérdidas de capacidad son influenciadas por caída óhmica en la solución y de transporte de masa en la fase sólida. Este trabajo es el primero en considerar un efecto en conjunto de las propiedades de una BIL en sus múltiples escalas de manera teórica como experimental, además sienta las bases para posteriores diseños de BIL’s para cualquier otra aplicación.
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