Análisis de estabilidad de suspensiones de electrodos basado en dispersión múltiple de luz estática

La estabilidad de la suspensión de electrodos está influenciada por factores como la composición y proporción de los componentes, el tamaño de partícula y su distribución en los materiales activos, la viscosidad del medio y los procesos de mezcla. Una formulación adecuada puede garantizar las propiedades mecánicas y conductivas de la suspensión de electrodos. En esta medición, se analizaron dos suspensiones utilizando el BeScan Lab, tanto desde un enfoque cualitativo como cuantitativo. Además, el BeScan Lab también puede emplearse para caracterizar la superficie de las láminas de electrodos.

 

Producto	BeScan Lab
Industria	Baterías y energía
Muestra	Suspensiones de electrodos
Tipo de medición	Estabilidad
Tecnología de medición	Dispersión múltiple de luz estática (SMLS)

 

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• Introducción
• Análisis de estabilidad con el BeScan Lab
• Procedimiento de medición
• Resultados y discusión
• Conclusión

 

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Introducción 

El rápido crecimiento de la industria de nuevas energías ha incrementado la demanda de baterías de alto rendimiento. Las baterías convencionales, como las de fosfato de hierro y litio y las de litio ternario, se producen a partir de suspensiones de electrodos, en las que el material activo positivo o negativo se mezcla generalmente con aglutinantes, aditivos y disolventes.  Las suspensiones de electrodos inestables pueden dar lugar a fenómenos no deseados, como la floculación y la sedimentación de las partículas del material activo, afectando gravemente los procesos posteriores de recubrimiento y calandrado, así como el rendimiento global de la batería. La estabilidad de la suspensión de electrodos está influenciada por factores como la composición y proporción de los componentes, el tamaño de partícula y su distribución en los materiales activos, la viscosidad del medio y los procesos de mezcla. Una formulación adecuada puede garantizar las propiedades mecánicas y conductivas de la suspensión de electrodos.

 

Figura 1. Fabricación de la lámina de electrodo

 

Análisis de estabilidad con el BeScan Lab

El BeScan Lab utiliza la técnica de dispersión múltiple de luz estática (SMLS) para detectar variaciones sutiles en las señales transmitidas y retrodispersadas a lo largo de la dirección vertical. Esto se logra mediante un escaneo cada 20 μm a lo largo de la altura de la muestra, utilizando una fuente de luz LED de 850 nm. Los escaneos se repiten de acuerdo con un procedimiento operativo estándar (SOP) personalizado, lo que permite caracterizar la estabilidad del sistema en función del tiempo o la temperatura, identificar cualitativamente fenómenos de inestabilidad en las suspensiones y cuantificar la desestabilización mediante el cálculo del índice de inestabilidad  (I_US).

 

Figura 2. Principio de medición del BeScan Lab

 

 

Procedimiento de medición

Se analizaron dos suspensiones de electrodos de alta viscosidad utilizando el BeScan Lab. Se transfirieron 20 mL de cada suspensión a la celda de muestra mediante una pipeta, y se realizaron escaneos cada 60 minutos a 30 °C. El escaneo se repitió 90 veces. La medición de suspensiones de electrodos requiere más tiempo debido a su elevada viscosidad, que ralentiza el movimiento de las partículas suspendidas. Como resultado, la detección de procesos de desestabilización necesita un mayor tiempo de observación. No obstante, el sistema “uno a muchos” del BeScan Lab permite la medición simultánea de múltiples muestras de suspensión mediante una única interfaz de control. Este sistema mejora la eficiencia del análisis, ahorra tiempo y aumenta la flexibilidad de medición.

 

Figura 3. Sistema “uno a muchos” del BeScan Lab

 

Resultados y discusión

1. Señal retrodispersada

Debido al color oscuro de las suspensiones de electrodos, las señales transmitidas son difíciles de detectar, ya que la propagación de la luz se ve significativamente limitada. Por lo tanto, se emplean señales retrodispersadas para el análisis de estabilidad. La intensidad de la señal retrodispersada es moderada, dado que las suspensiones de electrodos presentan una alta absorción de luz visible. Inicialmente, la muestra es homogénea, por lo que la variación de la intensidad de la luz en función de la altura es mínima. Para resaltar los cambios en la retrodispersión a lo largo del tiempo, se presentan señales delta, que representan la variación de la intensidad de la luz en cada posición vertical en función del número de escaneos. Las señales delta de retrodispersión para ambas suspensiones se muestran en la Figura 4.

Figura 4. Señales delta de retrodispersión de las suspensiones n.º 1 y n.º 2

 

Los diferentes escaneos se representan mediante distintos colores, donde el azul corresponde al primer escaneo y el rojo al último. El primer escaneo se utiliza como referencia en la señal delta para seguir la evolución de los fenómenos de inestabilidad desde el estado inicial.

 

El aumento general de la señal retrodispersada en la sección central del gráfico para la suspensión n.º 1 sugiere una posible floculación de los materiales activos. En cambio, no se observa una variación significativa en la señal retrodispersada en la suspensión n.º 2.

 

2.  Tamaño de partícula

Las mediciones del tamaño de partícula de los materiales activos de las suspensiones n.º 1 y n.º 2 se realizaron utilizando el analizador de tamaño de partícula por difracción láser Bettersizer 2600, con el fin de determinar la relación entre el tamaño de partícula y la estabilidad. Los resultados se muestran en la Figura 5.

Sample	Dx	Size(μm)
Slurry #1	D10	6.939
	D50	17.97
	D90	36.80
Slurry #2	D10	3.068
	D50	5.798
	D90	10.81

Figura 5. Análisis del tamaño de partícula de las suspensiones n.º 1 y n.º 2

 

El tamaño de partícula del material activo de la suspensión n.º 2 es menor que el de la suspensión n.º 1. Además, la distribución del tamaño de partícula en la suspensión n.º 2 es más estrecha que en la suspensión n.º 1, como lo indica la relación D10/D90.

 

Las partículas pequeñas son preferibles en las formulaciones de suspensiones debido al aumento del área superficial y a la menor tendencia a la sedimentación. Los materiales activos con una distribución de tamaño de partícula más estrecha son más fáciles de mezclar de manera homogénea. Si la agitación es insuficiente, las partículas grandes y pequeñas en una muestra con una distribución amplia tienden a separarse, lo que da lugar a un sistema heterogéneo.

 

3. Uniformidad

La uniformidad es un parámetro utilizado para describir si las partículas suspendidas están distribuidas de manera homogénea en una muestra, y se calcula mediante la desviación estándar (SD) de la intensidad de la señal retrodispersada dentro de un rango específico. Cuanto menor sea el valor de la uniformidad, más homogénea será la distribución de las partículas suspendidas. La fórmula de cálculo se muestra a continuación:

 

 

Sample	Slurry #1	Slurry #2
Uniformity	5.79	5.47

Tabla 1. Uniformidad de las suspensiones n.º 1 y n.º 2

 

La uniformidad de la suspensión n.º 2 es menor que la de la suspensión n.º 1, lo que indica una mejor distribución homogénea de las partículas suspendidas en la suspensión n.º 2. Cuando los aglutinantes y los aditivos se dispersan de manera uniforme entre los materiales activos, se reduce la probabilidad de floculación de las partículas y se favorecen los procesos posteriores de recubrimiento y calandrado, mejorando en última instancia el rendimiento final de la batería.

 

La uniformidad está influenciada por factores como la formulación, la distribución del tamaño de partícula y el proceso de agitación. Una formulación inadecuada puede provocar un desequilibrio en la proporción de los componentes, dando lugar a fenómenos de inestabilidad. Por ejemplo, una cantidad insuficiente de aglutinante puede causar la floculación y sedimentación de las partículas suspendidas, mientras que las partículas gruesas pueden depositarse, generando defectos estructurales como grietas después del recubrimiento. La potencia, la duración y la intensidad del proceso de agitación también influyen en la uniformidad.

 

4. Índice de inestabilidad (I_US)

El cálculo del índice de inestabilidad (I_US) tiene en cuenta todas las variaciones entre dos escaneos consecutivos. Cuanto mayor sea la fluctuación de la intensidad de la señal, mayor será el valor de IUS, lo que indica un sistema menos estable. Cada escaneo individual genera un valor de IUS. Las curvas de evolución del IUS en función del tiempo para las dos suspensiones se muestran en la Figura 6, lo que permite su comparación y la predicción de su estabilidad a largo plazo.

Figura 6. Curvas de evolución del IUS en función del tiempo de las suspensiones n.º 1 y n.º 2

 

Inicialmente, el valor de IUS de la suspensión n.º 2 es mayor que el de la suspensión n.º 1. Posteriormente, el IUS de la suspensión n.º 1 supera al de la suspensión n.º 2 y continúa aumentando, mientras que el IUS de la suspensión n.º 2 solo muestra un ligero incremento con el tiempo. Con base en las tendencias observadas en las curvas de evolución, es probable que la suspensión n.º 1 se vuelva inestable a largo plazo.

 

5. Caracterización de la superficie

El BeScan Lab permite una aplicación especial para láminas de electrodos, en la cual una lámina de electrodo se introduce en la celda de muestra y se fija firmemente a la pared interna de la misma. La lámina es iluminada mediante un LED, y se registran las señales retrodispersadas asociadas a su superficie. La intensidad de la señal retrodispersada se utiliza para caracterizar la superficie, evaluando la calidad de los procesos de recubrimiento y calandrado.

 

Cuando las señales son uniformes a lo largo de la altura de la muestra, indica que el proceso de recubrimiento garantiza una distribución homogénea de la suspensión de electrodos sobre la lámina metálica. Si se observan fluctuaciones evidentes en la señal, la calidad de la superficie no es óptima, lo que puede deberse a un recubrimiento desigual de la suspensión, a la presencia de grietas en la capa del electrodo o a una agitación insuficiente de la suspensión de electrodos.

 

Se utilizaron celdas de tipo coring para la caracterización de la superficie. Estas celdas son adecuadas para muestras de alta viscosidad o espumas, ya que cuentan con una abertura en la parte inferior que facilita la introducción de muestras con un menisco de baja calidad. En este caso, las láminas de electrodo se enrollaron y se introdujeron en las celdas coring desde la parte inferior.

Figura 7. Medición de la lámina de electrodo

 

Durante esta medición, se analizaron las láminas de electrodo fabricadas a partir de las suspensiones n.º 1 y n.º 2 utilizando el BeScan Lab. El escaneo se repitió tres veces. Se emplearon señales retrodispersadas para el análisis y los resultados se muestran a continuación.

 

Tabla 2. Uniformidad de las láminas de electrodo fabricadas a partir de las suspensiones n.º 1 y n.º 2

Sample	Uniformity	Average
Slurry #1	0.41	0.41
	0.41
	0.43
Slurry #2	0.29	0.29
	0.28
	0.29

 

La uniformidad se utiliza para evaluar la planitud de la superficie de la lámina de electrodo. Un valor de uniformidad menor indica una superficie más plana. La uniformidad de la suspensión n.º 2 es menor que la de la suspensión n.º 1, aunque la diferencia es ligera, lo que sugiere una mejor calidad de la lámina de electrodo fabricada a partir de la suspensión n.º 2. Dado que no se observan cambios significativos en la señal retrodispersada con el tiempo, se puede inferir que no hay problemas de grietas ni abultamientos en la superficie.

 

Conclusión 

En este estudio, se analizaron dos suspensiones utilizando el BeScan Lab mediante enfoques tanto cualitativos como cuantitativos. Se observaron fenómenos de inestabilidad en la suspensión n.º 1 a través del análisis de las señales delta de retrodispersión. El análisis cuantitativo mediante el índice de inestabilidad (IUS) demuestra que la suspensión n.º 2 es más estable, ya que el valor de IUS de la suspensión n.º 1 aumenta de forma significativa tras la etapa inicial. Estos resultados pueden atribuirse al menor tamaño medio de partícula, a una distribución de tamaño de partícula más estrecha y a una menor uniformidad en la suspensión n.º 2. Además, el BeScan Lab también puede utilizarse para la caracterización de la superficie de las láminas de electrodo. La calidad de la lámina de electrodo fabricada a partir de la suspensión n.º 2 es superior debido a su menor valor de uniformidad, lo que refleja una superficie más plana.

 

 

About the Author

Paddy Zhou Application Engineer @ Bettersize Instruments

 

BeScan Lab  Stability Analyzer Identification of destabilization processes Instability index for quantitative analysis Simultaneous measurement of up to 10 samples Learn more