En la investigación y el desarrollo de laboratorios de baterías de litio, desde la preparación de los electrodos hasta el ensamblaje de la batería y las pruebas de rendimiento, se requiere un conjunto de equipos especializados para respaldar el proceso. La precisión y la estabilidad de estos dispositivos determinan directamente la confiabilidad de los datos de investigación. Este artículo se centra en los equipos de baterías de litio comúnmente utilizados en laboratorios y analiza sus funciones y lógica de aplicación.
I. Equipo básico para la preparación de electrodos
1.Mezclador de lodos al vacío pequeño
Como equipo de partida para la preparación de electrodos, su función principal es lograr una dispersión uniforme de materiales activos, agentes conductores, aglutinantes y disolventes. El modelo de laboratorio, comúnmente utilizado, tiene un volumen efectivo de 0,2 a 3 L, admite un ajuste continuo de la velocidad de 50 a 500 rpm y cuenta con un grado de vacío ≤ -0,095 MPa. Esto evita la formación de burbujas en la suspensión. Por ejemplo, en la preparación de la suspensión de electrodos positivos ternarios, el equipo controla con precisión la temperatura desde temperatura ambiente hasta -80 °C para evitar la rápida evaporación del disolvente NMP, lo que garantiza la estabilidad de la viscosidad de la suspensión y sienta las bases para el recubrimiento posterior.
2. Máquina de recubrimiento con cuchillas de fregado pequeñas
Elmáquina de recubrimiento Se debe recubrir uniformemente la mezcla de lodo sobre el colector de corriente (papel de aluminio o de cobre). Los modelos de laboratorio suelen utilizar una cuchilla abrasiva para ajustar el espesor, con una precisión de ±5 μm. El equipo permite ajustar la velocidad de recubrimiento de 1 a 50 mm/s, adecuada para lodos de diferente viscosidad. Por ejemplo, al recubrir lodos de electrodos negativos a base de silicio, la velocidad debe reducirse a 5-10 mm/s para evitar vetas en el lodo debido a la alta viscosidad y garantizar la consistencia del espesor de la lámina del electrodo.
3. Horno de secado al vacío y prensa de rodillos
La lámina de electrodo recubierta debe secarse al vacío en un horno de secado para eliminar el disolvente. El equipo de laboratorio tiene una precisión de control de temperatura de ±1 ℃ y un grado de vacío de ≤ -0,098 MPa. Puede establecer un programa de aumento de temperatura escalonado (como 60 ℃/2 h → 80 ℃/4 h), para evitar que la lámina de electrodo se agriete. La lámina de electrodo seca debe prensarse con una prensa de rodillos. La presión de la pequeña prensa de rodillos de laboratorio se puede ajustar dentro del rango de 0 a 50 kN, y el diámetro del rodillo es generalmente de 80 a 120 mm. Al controlar la presión (como 20 a 30 kN para el electrodo positivo y 15 a 20 kN para el electrodo negativo), se puede ajustar la densidad de la lámina de electrodo, lo que afecta la capacidad de la batería y el rendimiento del ciclo.
II. Equipo de montaje y sellado de baterías
1. Guantera (protección de gas inerte)
En el ensamblaje de baterías cilíndricas y de bolsa, la caja de guantes proporciona un entorno seco y sin oxígeno (contenido de agua y oxígeno ≤ 1 ppm), evitando que los electrodos y el electrolito entren en contacto con el aire. Los laboratorios suelen utilizar cajas de guantes de doble estación, equipadas con sistemas de purificación de gases y cámaras de transferencia de vacío, para realizar operaciones como el corte de las láminas de electrodos, el bobinado (o apilado) y el goteo del electrolito. Por ejemplo, al ensamblar baterías de estado sólido, todo el proceso debe realizarse en la caja de guantes para evitar que el electrolito absorba humedad y pierda su eficacia.
2. Máquina selladora para baterías cilíndricas
Para baterías cilíndricas comunes, como la CR2032, la selladora de laboratorio utiliza métodos de presión hidráulica o manual, con presión de sellado ajustable (generalmente de 0,5 a 2 MPa). El equipo debe garantizar un sellado eficaz para evitar fugas de electrolito y evitar que una presión excesiva deforme la carcasa de la batería, lo que podría afectar las pruebas posteriores.
III. Equipos clave para pruebas de rendimiento
1. Comprobador de batería (Sistema de prueba de carga y descarga)
Este equipo básico se utiliza para probar parámetros como la capacidad de la batería, su ciclo de vida y su rendimiento. Los modelos de laboratorio suelen tener de 8 a 32 canales, con rangos de corriente de 0,001 a 10 A y una precisión de voltaje de ±0,1 mV. Durante las pruebas, se pueden configurar múltiples regímenes de carga y descarga, como la carga a voltaje constante y corriente constante (CC-CV) y la carga y descarga gradual, para satisfacer diversas necesidades de investigación. Por ejemplo, al probar el rendimiento de la batería, se suele utilizar una tasa de carga y descarga de 1 C y se registra la tasa de retención de capacidad después de 500 ciclos.
2. Estación de trabajo electroquímica
Se utiliza principalmente para análisis electroquímicos, como la impedancia de corriente alterna (EIS) y la voltamperometría cíclica (CV), para explorar características microscópicas como la resistencia a la transferencia de carga y el coeficiente de difusión de iones de litio en la batería. Los laboratorios suelen utilizar estaciones de trabajo con un rango de frecuencia de 10 μHz a 1 MHz y una resolución de corriente de 1 pA. Estas estaciones pueden equiparse con accesorios especiales para realizar ensayos in situ en baterías cilíndricas y de bolsa, lo que proporciona datos para analizar los mecanismos de degradación de las baterías.
IV. Colaboración en materia de equipos y valor de la investigación
El equipo de baterías de litio en el laboratorio debe formar un circuito cerrado de preparación, ensamblaje y prueba: por ejemplo, mediante la mezcladora de lechada y la recubridora para controlar la calidad de la lámina de electrodos, después del ensamblaje en la caja de guantes, el probador y la estación de trabajo se utilizan para verificar el rendimiento, y luego los resultados de la prueba se utilizan para optimizar los parámetros del equipo (como ajustar el tiempo de mezcla y el espesor del recubrimiento) en sentido inverso. Este sistema de equipos no solo garantiza la repetibilidad de experimentos a pequeña escala, sino que también verifica rápidamente el potencial de aplicación de nuevos materiales (como nuevos materiales de cátodos, electrolitos de estado sólido), lo que proporciona un apoyo clave para el desarrollo iterativo de la tecnología de baterías de litio.
