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El comportamiento térmico como clave del rendimiento de las pilas
El desarrollo de pilas eficientes y duraderas requiere una comprensión detallada de las propiedades termofísicas de los componentes de las pilas. Especialmente al caracterizar el fosfato de hierro y litio (LFP), el óxido de níquel, manganeso y cobalto (NMC) y los electrolitos sólidos, la medición precisa de los parámetros térmicos es crucial para comprender y controlar los mecanismos de envejecimiento y las pérdidas de eficiencia durante los ciclos de carga y descarga. El Puente caliente transitorio (THB) ha demostrado ser el método central para determinar con precisión la conductividad térmica, difusividad térmica y capacidad calorífica específica establecida.
El método del puente caliente transitorio: superioridad técnica
El THB-mejora la precisión de la medición de las propiedades térmicas de los componentes de la célula en varios niveles y ofrece ventajas decisivas sobre métodos más antiguos, como el de la banda caliente transitoria (THS) o el clásico del hilo calefactor. Como método de medición absoluto, no requiere calibración adicional ni medición de referencia, lo que elimina los errores sistemáticos debidos a las desviaciones de referencia (Linseis Messgeräte GmbH, 2024).
Diseño técnico y principio de medición
El sensor del método THB se realiza como una lámina de circuito impreso de níquel entre dos láminas de poliimida. El diseño consiste en cuatro bandas calefactoras dispuestas en paralelo y conectadas para formar un puente de Wheatstone. A temperatura constante, el puente está intrínsecamente equilibrado, es decir, no requiere calibración.
Una ventaja especialmente importante del THB es la compensación de los efectos de borde. Mientras que los métodos convencionales de cable calefactor se ven afectados por las pérdidas de calor a través de las conexiones o las zonas de los bordes, estos efectos de los bordes se miden con el método de medición THB y, por tanto, pueden deducirse del resultado.
El método cubre una amplia gama de mediciones de conductividad térmica de 0,01 a 1000 W/(m*K) y cumple normas internacionales como ASTM D5930, ASTM D7896-19 y ISO 22007-2lo que garantiza la comparabilidad y el aseguramiento de la calidad. Los breves tiempos de medición, a menudo inferiores a un minuto, son especialmente ventajosos.
Parámetros termofísicos críticos de las celdas de batería
Varios parámetros termofísicos tienen una importancia decisiva para el envejecimiento y la eficiencia de las células NMC y LFP durante los ciclos de carga y descarga:
La conductividad térmica determina la eficacia con que puede disiparse el calor dentro de la célula. Una conductividad térmica elevada garantiza una distribución uniforme de la temperatura y evita los puntos calientes, que pueden causar altas temperaturas localizadas y, por tanto, un envejecimiento acelerado. Marconnet et al. (2024) demuestran que la disminución de la conductividad térmica debida al envejecimiento reduce directamente el rendimiento y la seguridad de las baterías de iones de litio, en algunos casos hasta en un 75% tras largas cargas a alta temperatura y varios miles de ciclos.
La capacidad calor ífica específica define cuánto calor puede absorber un componente de la célula hasta que aumenta la temperatura. Los materiales con una capacidad calorífica elevada amortiguan mejor las fluctuaciones de temperatura y, por tanto, pueden reducir los daños en las células durante los procesos de carga/descarga rápida. La capacidad calorífica específica puede cambiar debido al envejecimiento y a la fatiga del material, por lo que influye en los perfiles de temperatura durante el ciclo.
La difusividad térmica indica la rapidez con que los cambios de temperatura se propagan por el material. Una baja difusividad térmica da lugar a zonas de temperatura inercialmente cambiante dentro de la célula, lo que resulta especialmente crítico a altas velocidades de C, ya que en tales casos pueden formarse peligrosos gradientes de temperatura, que favorecen un envejecimiento localmente acelerado.
Ejemplos prácticos de aplicación
Caracterización del material del ánodo
Un ejemplo concreto de aplicación es la medición de la conductividad térmica del material del ánodo aplicado a un colector de corriente de cobre fino. Estas mediciones son importantes para el desarrollo, la optimización y el diseño de sistemas de gestión térmica de baterías. El método THB permite caracterizar tanto el revestimiento como el material del sustrato en su totalidad.
Control de calidad en la producción de pilas
En la producción industrial de pilas, el método THB se utiliza para el control continuo de la calidad de las materias primas.
Desarrollo de nuevos materiales para electrodos
El método proporciona resultados para sólidos y líquidos, así como para polvos y pastas, con una gran precisión de medición, lo que lo hace especialmente valioso para el desarrollo de materiales de electrodos innovadores.
Consideraciones específicas del material y efectos del envejecimiento
Las células LFP son conocidas por su estabilidad química y su moderada dependencia de la temperatura, pero los daños microestructurales del electrodo debidos a la carga cíclica pueden deteriorar significativamente la conductividad térmica y la capacidad calorífica. Las células NMC suelen mostrar una mayor dependencia de la temperatura y el envejecimiento en sus propiedades térmicas, lo que plantea mayores exigencias a la gestión térmica y la caracterización de los materiales (Ali et al., 2023).
Los electrolitos sólidos ofrecen la posibilidad de aumentar la seguridad, pero su conductividad térmica intrínseca, a veces baja, plantea nuevos retos para la homogeneidad de la temperatura y requiere métodos de medición especialmente precisos y resueltos espacialmente, como el THB. Steinhardt et al. (2022) confirman experimentalmente que los fuertes aumentos y gradientes de temperatura tienen un impacto negativo tanto en el envejecimiento como en el rendimiento de las células.
Comparación de métodos: THB frente a métodos establecidos
Comparación con el Análisis de Flash Láser (AFL)
El método de medición THB proporciona la conductividad térmica, la difusividad térmica y, si se conoce la densidad, la capacidad calorífica específica. Con el método del destello láser sólo se obtiene la difusividad térmica. Además, las mediciones con el THB son muy sencillas y pueden realizarse sin conocimientos previos. Además, las mediciones sólo tardan entre unos segundos y unos minutos.
La ventaja del LFA radica en el amplio rango de temperaturas de -150 a 2800°C que puede cubrir. El THB puede utilizarse en el intervalo de temperaturas de -150 a 700°C.
Ventajas sobre los métodos convencionales de hilo caliente
Los métodos tradicionales de hilo caliente sufren los efectos de los bordes y las influencias de los cables, que pueden provocar errores de medición sistemáticos. El THB elimina estos problemas mediante:
- La medición y compensación de los efectos de contorno da lugar a precisiones significativamente mayores
- La configuración en puente simplifica enormemente la calibración y el funcionamiento del dispositivo de medición
Ventajas sobre los métodos convencionales de hilo caliente
Los métodos tradicionales de hilo caliente sufren los efectos de los bordes y las influencias de los cables, que pueden provocar errores de medición sistemáticos. El THB elimina estos problemas mediante:
- La medición y compensación de los efectos de contorno da lugar a precisiones significativamente mayores
- La configuración en puente simplifica enormemente la calibración y el funcionamiento del dispositivo de medición
Importancia para la seguridad de las pilas
La caracterización precisa de las propiedades termofísicas es crucial para evaluar la seguridad de las pilas. Las autoridades reguladoras exigen cada vez más modelos térmicos detallados para predecir el comportamiento en condiciones de abuso. El método THB conforme a la norma proporciona los datos básicos necesarios para estas evaluaciones de seguridad y contribuye a la aprobación de los productos de baterías.
Conclusión para la investigación y el desarrollo
El método del Puente Caliente Transitorio maximiza la precisión de la medición de las propiedades térmicas de los componentes de las células gracias a la medición sin calibración y compensada por el efecto límite, a la gran flexibilidad de los materiales y a los breves tiempos de medición. Sólo mediante mediciones precisas y reproducibles de todos los parámetros termofísicos relevantes se pueden evaluar eficazmente los materiales de las células, desarrollar nuevos diseños y garantizar los estándares de calidad actuales. Por tanto, para la caracterización y optimización de los materiales de las pilas modernas -desde electrodos y separadores hasta electrolitos sólidos- es una herramienta indispensable en el laboratorio y ofrece la máxima precisión y flexibilidad de aplicación específicamente para las necesidades de la investigación y el desarrollo de las pilas modernas.
Bibliografía
Ali, H. et al. (2023). «Evaluación del envejecimiento natural de las baterías de ión-litio para aplicaciones en vehículos eléctricos». Fronteras de la Investigación Energética.
Marconnet, A. et al. (2024). «Impacto del envejecimiento en las propiedades termofísicas de los electrodos de las baterías de iones de litio». Revista de Fuentes de Energía.
Hammerschmidt, U. «Puente caliente transitorio». Physikalisch Technische Bundesanstalt Braunschweig.
Steinhardt, M. et al. (2022). «Investigación experimental de la conductividad térmica de los componentes de las baterías de iones de litio».
