Carbón activo para baterías de litio

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Carbón activo para baterías de litio

El carbón activo desempeña una función clave en la fabricación de baterías de iones de litio: se utiliza como aditivo conductor de la electricidad, agente de formación de poros y sustancia purificadora del electrolito, lo que aumenta la conductividad eléctrica del electrodo, mejora la eficiencia de la transferencia iónica y elimina el agua y las impurezas del sistema electrolítico, con lo que se consigue la máxima eficiencia en cuanto a densidad energética, vida útil y seguridad de la batería.

¿Qué es el carbón activo para baterías de litio?

El carbón activo de litio es un tipo especial de carbón activo que se utiliza en diversas funciones en la producción de baterías de iones de litio: actúa como aditivo conductor en los electrodos, como agente formador de poros en la formulación de la pasta de los electrodos y como medio purificador del electrolito para eliminar el agua, impurezas ácidas y contaminantes orgánicos de una solución electrolítica apta para baterías antes del montaje de la célula.

A diferencia del carbón activo, destinado a fines de filtrado y limpieza, los grados de celda de litio se producen de acuerdo con requisitos extremadamente estrictos que incluyen el área superficial BET, la conductividad eléctrica, la distribución del diámetro de los granos, la humedad, la contaminación por partículas magnéticas y las impurezas metálicas. Cada uno de estos parámetros tiene un impacto directo en las propiedades de la batería: la conductividad eléctrica, las propiedades cinéticas de la transferencia de iones de litio, la resistencia interna, la capacidad de almacenamiento, la vida útil y, lo más importante, el calor y la seguridad. Incluso una cantidad mínima de contaminación metálica o humedad en un ACCC puede provocar un cortocircuito interno, acelerar la pérdida de capacidad o causar una pérdida de calor en una célula de batería terminada.

Con el rápido crecimiento de los vehículos eléctricos, la red eléctrica y los requisitos relacionados con estos en todo el mundo, la necesidad de LCI está aumentando a un ritmo vertiginoso, lo que convierte la elección de los materiales y la acreditación de los proveedores en un paso clave en la producción de las celdas de batería.

Ventajas principales del carbón activo para baterías de litio

Mayor conductividad de los electrodos y mayor capacidad de corriente: El carbón activo se utiliza como agente conductor tanto en los electrodos positivos como en los negativos para aumentar la conductividad eléctrica de toda la matriz del electrodo, reducir la resistencia interna, aumentar la capacidad de velocidad en condiciones de alta carga y descarga, y permitir un rendimiento de carga más rápido en los vehículos eléctricos y sus baterías.
Transporte optimizado de iones mediante una porosidad controlada: El carbón activo con nivel de batería de litio presenta una estructura porosa bien controlada que proporciona redes interconectadas de transferencia iónica en el electrodo, lo que favorece una rápida difusión de los iones de litio hacia la superficie del material activo, reduce la polarización de concentración a altas velocidades de descarga y mantiene la capacidad en todo el rango de temperaturas de funcionamiento de la célula de la batería.
Purificación de electrolitos para mejorar la seguridad de las celdas y su vida útil: El lecho de carbón activo para la purificación del electrolito de la batería es capaz de eliminar el agua residual, el HF, contaminantes orgánicos e iones metálicos disueltos que aceleran la degradación del electrolito, contribuyen a la inestabilidad de la capa de electrolito sólido (SEI) y aumentan el riesgo de pérdida de calor —lo que supone una mejora directa de la seguridad de la célula acabada, la eficiencia en el primer ciclo y la vida útil a largo plazo—.
Contenido ultrabajo de partículas magnéticas e impurezas metálicas: Un control estricto de los contaminantes metálicos, como el Fe, el Ni, el Cu y otros, hasta niveles de partes por millón, evitará la formación de un cortocircuito interno debido al depósito de partículas metálicas en la película separadora, lo que constituye una norma de seguridad fundamental para las baterías de uso automovilístico fabricadas de conformidad con la norma IATF 16949 y los controles de calidad equivalentes.
Tamaño de partícula constante para un procesamiento uniforme de la pasta de electrodos: Una distribución granulométrica estrictamente controlada garantiza las propiedades reológicas de la pasta del electrodo, la uniformidad del recubrimiento y la uniformidad del espesor del electrodo a lo largo de toda la producción a gran escala del electrodo de la batería.

Retos del sector

La contaminación por impurezas metálicas plantea riesgos graves para la seguridad

Incluso cantidades del orden de partes por millón de partículas metálicas, como Fe, Ni, Cu y otras, presentes en el carbón activo pueden depositarse en la membrana de la celda, lo que provocaría un cortocircuito interno, una aceleración de la pérdida de volumen y una pérdida de calor, lo cual constituye un riesgo inaceptable para la seguridad de una batería de litio para automóviles.

La uniformidad del tamaño de las partículas es fundamental para el rendimiento en la fabricación de electrodos

Una distribución irregular del tamaño de los granos de carbón activo provoca una viscosidad desigual de la pasta del electrodo, defectos en el recubrimiento y variaciones en el espesor de los electrodos en la línea de pintura de alta velocidad, lo que se traduce en una reducción directa de la tasa de producción, una variación en la capacidad entre celdas y un aumento del coste del control de calidad en una planta de fabricación de baterías a gran escala.

Equilibrio entre la mejora de la conductividad y la carga de material activo

La incorporación de carbón activo como aditivo conductor de la electricidad aumenta la conductividad eléctrica del electrodo, pero ocupa espacio y añade peso que, de otro modo, estarían disponibles como cátodo o ánodo activos, por lo que es necesario optimizar la carga de carbón para lograr la máxima eficiencia en la conducción eléctrica sin provocar una reducción inaceptable de la densidad energética de la célula de batería final.

Descripción general del producto

Casos de uso específicos: carbón activo para baterías de litio

Aditivo conductor para el electrodo catódico

El carbón activo se integra en la pasta del electrodo positivo de las baterías de iones de litio —junto con NMC, LFP y NCA— como aditivo conductor de la electricidad que crea y mantiene una vía de conducción eléctrica a lo largo de toda la matriz del electrodo. El carbón activo reduce la resistencia interna de un electrodo al salvar la distancia entre una partícula de sustancia activa de baja conductividad y un colector de corriente, aumenta la capacidad de respuesta ante corrientes elevadas de carga y descarga, mejora el aprovechamiento de la capacidad a bajas temperaturas, y mantiene el electrodo intacto ante las variaciones de volumen relacionadas con los procesos de intercalación y desintercalación del litio.

Modificación de electrodos anódicos y aplicaciones del carbono duro

Se han estudiado el carbón activo y los materiales de carbono duro a base de biomasa, resina o precursores poliméricos como alternativa al grafito para el ánodo de una batería de iones de litio —especialmente en las celdas de iones de sodio y en las de iones de litio de próxima generación—, en las que la estructura caótica del carbono de los materiales activos y deofrece un entorno favorable para la inserción de iones de sodio y litio, con un potencial y una capacidad complementarios a las propiedades del ánodo de grafito tradicional. El carbono duro producido mediante la activación controlada de un precursor orgánico se está convirtiendo en el ánodo preferido para las celdas comerciales de baterías de iones de sodio.

Purificación del electrolito de las baterías

Es necesario purificar rigurosamente una solución electrolítica de batería de alta pureza —normalmente hexafluorofosfato de litio (LiPF), que es soluble en un disolvente orgánico de carbonato— para eliminar el agua residual, el ácido fluorhídrico, los iones metálicos disueltos y los contaminantes orgánicos generados durante la síntesis y el procesamiento del electrolito. En un proceso de limpieza electrolítica, se emplea un lecho de carbón activo o una etapa de tratamiento de lodos para absorber dichas micropartículas, mejorando así las propiedades químicas del electrolito, aumentando la calidad de la interfase del electrolito sólido (SEI), reduciendo la pérdida de capacidad irreversible en el primer ciclo y aumentando la estabilidad cíclica a largo plazo de la célula de batería de litio terminada.

Agente formador de poros para electrodos destinado a mejorar el transporte de iones

En determinadas formulaciones de electrodos para celdas de litio, se integran granos de carbón microactivado en el recubrimiento del electrodo como elemento formador de poros, creando así una red de poros controlada en la configuración del electrodo comprimido que favorece la penetración del electrolito y la difusión del ion de litio hacia la superficie del material activo en el interior del electrodo de gran espesor. Este método resulta especialmente valioso en el caso de un diseño de electrodo de alta densidad energética, en el que un aumento de la carga de material activo por unidad de superficie da lugar a una restricción de la transferencia iónica, lo que reduce la capacidad de corriente y la capacidad volumétrica en condiciones de control insuficiente de los poros del electrodo.1

Aplicaciones de recubrimientos separadores y capas funcionales

En I+D, se está incorporando carbón activo a una pintura de separación de LiBe y a capas intermedias funcionales, que pueden utilizarse para absorber los iones de metales de transición disueltos, los intermedios de transporte de polisulfuros y la acumulación de productos de descomposición electrolítica en las celdas, con el fin de acelerar la degradación. La pintura de separación funcional con carbón activo absorbe dichos contaminantes antes de que se depositen en un electrodo o atraviesen una partición para contaminar el electrodo opuesto, lo que aumenta la vida útil y la capacidad de almacenamiento en una química avanzada de celdas de iones de litio.

Purificación de gases de formación y aditivos electrolíticos

Durante la fase de formación de una célula de batería de litio —un periodo inicial de carga y descarga en el que se crea una capa SEI y se activa la célula—, la producción de gas derivada de la descomposición del electrolito y del agua residual provocará una expansión de la célula, una disminución del volumen y una acumulación de presión interna que pone en peligro la integridad de la célula. El carbón activo se emplea en un sistema de tratamiento de gases de una planta de producción de baterías para capturar y eliminar los vapores de disolventes orgánicos, el flúor y los gases tóxicos que se liberan durante las operaciones de circulación de formación y de llenado de electrolito.

Reciclaje de baterías y tratamiento de materiales al final de su vida útil

Con el aumento del número de vehículos eléctricos (VE) y flotas de VE que se acercan al final de su vida útil, el carbón activo se está utilizando en el reciclaje de baterías y en la hidrometalurgia, especialmente para purificar el flujo de Li, Co, Ni y Mn procedente de la solución de lixiviación de la «masa negra». Fase de absorción con carbón activo: eliminación de impurezas orgánicas, compuestos de unión a los electrodos restantes y microcontaminantes del líquido de reciclaje de metales.

Ventajas de nuestro carbón activo para baterías de litio

Mejora superior de la conductividad de los electrodos para un mejor rendimiento a altas velocidades de descarga

El carbón activado para baterías de litio, utilizado como aditivo conductor, mejora significativamente la conductividad eléctrica de los electrodos. Reduce la resistencia interna, mejora la capacidad de descarga a altas corrientes de carga y descarga, y facilita una carga más rápida en las celdas de las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos y productos electrónicos de consumo.

Contenido de impurezas ultrabajo para una mayor seguridad de las células y una mayor vida útil

El control estricto de los contaminantes metálicos, las partículas magnéticas y la humedad, de acuerdo con las normas de calidad para baterías, evita los cortocircuitos internos, frena la inestabilidad de la capa SEI y reduce el riesgo de sobrecalentamiento. Esto mejora directamente los índices de seguridad de las celdas de batería acabadas, aumenta la eficiencia coulómbica en el primer ciclo y potencia la retención de la capacidad a largo plazo a lo largo de toda la vida útil de la batería.

Purificación precisa de electrolitos para optimizar la formación y el rendimiento de las células

El carbón activado de alta pureza elimina la humedad residual, el ácido fluorhídrico, los metales disueltos y las impurezas orgánicas de las soluciones electrolíticas de las baterías antes del llenado de las celdas. Este proceso mejora la estabilidad química del electrolito, potencia la calidad de la formación de la capa SEI, reduce la pérdida irreversible de capacidad durante los ciclos de formación y optimiza la densidad energética y la vida útil de las celdas de litio terminadas.

Ver todas las categorías de carbón activo

El rendimiento de las baterías de litio comienza con la selección de grados de carbón activo fabricados según los estrictos requisitos de pureza, conductividad eléctrica y tamaño de grano que exigen las normas de calidad de las celdas de batería. Contamos con una amplia variedad de productos de carbón activo que contienen impurezas metálicas ultrabajas, superficie específica BET y niveles de humedad rigurosamente controlados, diseñados especialmente para su uso en electrodos, electrolitos y aplicaciones de carbón duro. Consulte nuestro catálogo completo para comparar las especificaciones y determinar el grado adecuado para la producción de sus celdas.

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