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Por qué la difusividad térmica es algo más que un parámetro material
Difusividad térmica α describe la rapidez con que se propaga una perturbación de temperatura en un material. Mediante la relación λ = α – ρ – cₚ, está directamente relacionada con la conductividad térmica y, por tanto, determina en las células de iones de litio si el calor generado localmente -por ejemplo, debido a reacciones laterales, nidos de densidad de corriente o sobrecarga local- se disipa rápidamente o se acumula hasta formar un punto caliente peligroso. Los modelos numéricos en 3D del tiempo de funcionamiento térmico muestran que incluso las inhomogeneidades moderadas en la difusividad térmica a nivel de electrodo y separador pueden provocar picos de temperatura muy localizados [Oehler et al., 2021; Cloos et al., 2024]. Para la arquitectura celular, esto significa que la distribución de la difusividad térmica en el grosor de las capas, la dirección de la superficie y las transiciones entre capas es al menos tan importante como el valor absoluto de un material individual.
Un ejemplo práctico ilustrativo es la combinación de colectores de corriente altamente conductores con capas de masa activa significativamente menos conductoras. Si la difusividad en el revestimiento de grafito es significativamente menor que en el colector, se forma un pronunciado gradiente de temperatura dentro del ánodo a altas velocidades de C, lo que favorece el recubrimiento local de litio y la degradación [Gandert et al., 2025]. Por el contrario, el aumento selectivo de la difusividad o los aditivos térmicamente conductores pueden mitigar los picos de temperatura en los puntos críticos, siempre que se integren de forma sensata en el diseño general.
Ánodos de grafito: La anisotropía como oportunidad y riesgo
Los ánodos de grafito son térmicamente anisótropos: en el plano -a lo largo del plano de la capa- la conductividad térmica y, por tanto, la difusividad térmica es significativamente mayor que a través del espesor de la capa, lo que tiene un efecto directo en la propagación de los puntos calientes. Las mediciones realizadas en células comerciales de NMC/grafito demuestran que el valor de difusividad efectiva de la capa del ánodo no viene determinado únicamente por el grafito, sino esencialmente por el aglutinante, el hollín conductor, la porosidad y el contacto con el colector de cobre [Cloos et al., 2024; Oehler et al., 2021]. De ello se deduce El diseño microestructural de la capa del electrodo -tamaño de las partículas, grado de relleno, red de poros- es una palanca para controlar la propagación del calor de forma selectiva sin perjudicar necesariamente el rendimiento electroquímico.
Los estudios de operando demuestran que incluso los aumentos locales leves de temperatura en los compuestos de grafito pueden cambiar el comportamiento del litio y provocar fugas locales de Li de las fases de LiₓC₆ o un recubrimiento subpotencial [Wang et al., 2022; Alujjage et al., 2025]. En combinación con una difusividad térmica limitada, surgen puntos calientes autorreforzantes: El aumento de temperatura acelera las reacciones laterales, que generan calor adicional que permanece atrapado localmente debido a la falta de difusión rápida. Por tanto, la difusividad térmica del ánodo no es sólo un parámetro de seguridad, sino también un parámetro de degradación que debe tenerse en cuenta en las estrategias de carga rápida y en los modelos de vida útil.
Separadores: cuello de botella térmico con potencial de seguridad
Los separadores suelen tener una difusividad térmica significativamente menor que los electrodos y los supresores de corriente, por lo que a menudo representan el cuello de botella térmico en la sección transversal de la célula. Como consecuencia, pueden amplificar las diferencias de temperatura entre los lados de los electrodos; al mismo tiempo, los conceptos modernos de separador actúan deliberadamente como «fusible térmico», por ejemplo mediante el cierre selectivo de los poros a temperaturas definidas. Los trabajos actuales sobre los llamados separadores inteligentes de cierre térmico demuestran que la combinación de una baja difusividad de base y una conductividad térmica específicamente aumentada mediante rellenos cerámicos -por ejemplo, nitruro de boro (BN)- puede mitigar los puntos calientes locales, manteniendo al mismo tiempo la función electroquímica durante el funcionamiento normal [Li et al., 2025; Liu et al., 2021].
Es crucial no considerar los separadores de forma aislada, sino en combinación con el ánodo, el cátodo y el electrolito. Los estudios indican que la interacción de la difusividad del separador, la difusividad del electrodo y las resistencias de contacto determina la posición del punto caliente; por ejemplo, si las zonas críticas tienden a formarse en el volumen del electrodo o en las proximidades del separador [Gandert et al., 2025]. La emisividad superficial de las superficies del separador y del electrodo también influye directamente en la sensibilidad de los métodos de detección por imagen, como la termografía lock-in o IR.
Detección de puntos calientes: la metrología operando se une a la caracterización de materiales
Para realizar un análisis fiable de los puntos calientes, no basta con medir la temperatura externa de un cilindro o una célula de bolsa. La información de temperatura resuelta espacialmente y los datos fiables del material son cruciales. La termografía IR operando, en combinación con modelos basados en la física, permite obtener campos de temperatura internos y cuantificar los puntos calientes, siempre que se conozca la difusividad térmica de cada uno de los componentes de la célula [Wang et al., 2022]. Los nuevos sensores de ondas térmicas utilizan específicamente la difusión térmica dependiente de la frecuencia para extraer conclusiones sobre los estados de degradación y los cambios locales en las propiedades térmicas a partir de la respuesta a la excitación térmica modulada.
Un estudio reciente sobre la evolución de la temperatura interna en las células de ión-litio muestra que la discrepancia entre la medición de la temperatura interna y externa en condiciones de funcionamiento puede ser considerable, y que los puntos calientes y el recubrimiento de litio en los ánodos de grafito sólo pueden cuantificarse completamente de esta forma [Alujjage et al., 2025]. No sólo el nivel absoluto de temperatura, sino también el desarrollo temporal con difusividad térmica conocida proporciona información valiosa sobre defectos locales, inhomogeneidades o zonas de envejecimiento. Por tanto, el acoplamiento de métodos de medición operando con difusividades determinadas experimentalmente es una herramienta eficaz para detectar puntos débiles en la arquitectura celular ya en la fase de concepción del material y la célula.
Formato de la célula y difusividad térmica: célula redonda, bolsa y prismática en comparación
La difusividad térmica tiene efectos fundamentalmente distintos según el formato de la célula, con consecuencias directas para el diseño del sistema de gestión térmica y la susceptibilidad a los puntos calientes.
Las pilas redondas (18650, 21700) se caracterizan por una marcada anisotropía entre las direcciones axial y radial. En las pilas redondas 18650 se han medido conductividades térmicas anisótropas de 0,20 W-m-¹-°C-¹ en dirección radial y de hasta 30,4 W-m-¹-°C-¹ en dirección axial. Por tanto, el calor generado en el núcleo de la célula se disipa preferentemente en dirección axial, mientras que el transporte radial -en dirección a la superficie de la célula y el sistema de refrigeración- se inhibe fuertemente. A velocidades de C elevadas, esto da lugar a gradientes de temperatura considerables entre el núcleo y el revestimiento, que no pueden detectarse con la mera medición de la temperatura externa [Gandert et al., 2025].
Las células de bolsa tienen características complementarias: las células de bolsa tienen intrínsecamente una buena disipación del calor en el plano debido a su gran superficie y diseño plano. Sin embargo, como la disipación de calor en la dirección transversal es menos homogénea, pueden producirse gradientes de temperatura y puntos calientes, especialmente pronunciados durante la carga rápida. Por tanto, la caracterización térmica de las células de bolsa requiere métodos que capten ambas direcciones: el análisis de flash láser en pilas de capas representativas proporciona los datos de entrada más fiables para los modelos de simulación [Lin et al., 2022; Cloos et al., 2024].
Las células prismáticas combinan elementos de ambas geometrías. En las células prismáticas y de bolsa, la conductividad térmica se descompone a lo largo de la longitud, la altura y el grosor de las capas, mientras que en las geometrías cilíndricas es más adecuada una descomposición en dirección radial y axial. También en este caso, la difusividad a través del plano -perpendicular a las capas de electrodos- representa el cuello de botella térmico dominante [Oehler et al., 2021].
Esto se traduce en un claro requisito para la tecnología de medición: una sola medición de difusividad escalar no es suficiente para ninguno de estos formatos. Sólo la caracterización anisótropa completa de sistemas de capas realistas en el intervalo de temperaturas pertinente proporciona los parámetros de entrada para simulaciones térmicas fiables y predicciones de puntos calientes [Gandert et al., 2025; Cloos et al., 2024].
Tecnología de medición: el análisis flash como base para unos parámetros materiales realistas
Un método robusto para medir la difusividad térmica de los ánodos de grafito, los separadores y las estructuras compuestas es esencial para su uso en I+D y para garantizar la calidad. Un método establecido es el análisis de flash láser (LFA): Un breve pulso de energía calienta la superficie de una muestra y el aumento de temperatura a lo largo del tiempo en el lado opuesto se registra mediante un detector IR, a partir del cual se puede calcular la difusividad térmica [Balaji et al., 2024]. La combinación con la densidad y la capacidad calorífica específica da como resultado la conductividad térmica, que es el parámetro de entrada central de los modelos de simulación térmica.
Para los materiales relevantes para las baterías, es importante analizar no sólo muestras a granel, sino también configuraciones realistas: Recubrimientos de grafito sobre cobre, láminas separadoras o pilas de electrodos compuestos. Los estudios demuestran que la difusividad térmica efectiva de un electrodo compuesto se desvía significativamente del valor ideal del grafito puro, en particular debido a la interfaz con la lámina de cobre y a la distribución de aditivos poliméricos y conductores [Cloos et al., 2024; Gandert et al., 2025].
Consecuencias estratégicas para el desarrollo de las pilas
Para los desarrolladores de arquitecturas de células, hay un plan de acción claro: la difusividad térmica debe tenerse en cuenta desde el principio en el proceso de selección de materiales, especialmente para las formulaciones de ánodos de grafito y los conceptos de separadores. Las anisotropías pueden utilizarse de forma selectiva, por ejemplo mediante una alta difusividad en el plano para la disipación lateral del calor; al mismo tiempo, los gradientes a través del grosor de la capa deben verificarse mediante mediciones y modelización [Oehler et al., 2021]. Los modelos de materiales y células deben alimentarse sistemáticamente con valores de difusividad determinados experimentalmente para derivar campos de temperatura realistas y escenarios de desbocamiento térmico. Los métodos operando -termografía IR, ondas térmicas, sensores internos- sólo despliegan todo su potencial en combinación con datos termofísicos exactos: Así, los puntos calientes no sólo se hacen visibles cualitativamente, sino también evaluables cuantitativamente [Alujjage et al., 2025].
De este modo, la difusividad térmica está pasando de ser un parámetro material a menudo descuidado a un parámetro de desarrollo estratégico que puede utilizarse para aumentar los márgenes de seguridad, ampliar las ventanas de carga rápida y mitigar los mecanismos de degradación en ánodos y separadores de grafito en una fase temprana.
Bibliografía
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