La configuración de una batería es relativamente sencilla con cuatro elementos principales; sin embargo, su funcionamiento es complejo debido a su dependencia de reacciones químicas que están sujetas a diversas circunstancias. Una batería consta de un electrodo positivo (cátodo), un electrodo negativo (ánodo), un separador que previene el contacto directo entre ellos y un electrolito a través del cual los iones se desplazan para moverse de un electrodo a otro.
Sin embargo, hay otro componente esencial que suele pasar desapercibido. El negro de humo desempeña un papel fundamental en las baterías de iones de litio. Contribuye a mejorar la conductividad del ánodo durante los ciclos de carga y descarga, refuerza su integridad estructural, posibilita velocidades de carga y descarga más rápidas, y aumenta la densidad de energía de la batería, mejorando así el rendimiento general y la longevidad. También previene la aglomeración de materiales del ánodo durante el ciclo, garantizando la estabilidad. Asimismo, facilita la disipación del calor, un factor crucial para prevenir problemas de sobrecalentamiento, aumentando la seguridad de las baterías de iones de litio.
No todo el negro de humo es igual
El negro de humo es un polvo fino y negro que se produce mediante la pirólisis controlada a elevadas temperaturas de residuos de petróleo o gas natural. Es el aditivo conductor más empleado en las baterías de iones de litio. Destaca por su capacidad para formar redes eléctricas sólidas en los electrodos que permiten un rendimiento superior, incluso a velocidades de carga elevadas.
Aunque representa menos del 5% del peso de una batería típica de iones de litio, su papel es absolutamente crucial para optimizar la densidad de energía y la capacidad de velocidad de los materiales activos. El negro de humo forma una red tridimensional alrededor del material activo, facilitando la transferencia de electrones hacia el colector de corriente, dado que el material activo en el lado del cátodo no es conductor por sí mismo. La adición de negro de humo en toda la batería mejora el rendimiento y permite un proceso de carga y descarga eficiente, contribuyendo así a prolongar la vida útil de la batería.
El grado de pureza y la baja humedad son atributos fundamentales para mejorar la seguridad y están relacionados directamente con la extensión de la vida útil y el ciclo de vida de la batería al minimizar el riesgo de contaminación y garantizar propiedades electroquímicas estables durante períodos prolongados de uso.
Su papel en el proceso de fabricación de las baterías
Los parámetros del proceso de fabricación de baterías de iones de litio y las características del negro de humo deben estar estrechamente calculados para garantizar una integración perfecta y un rendimiento óptimo de la batería. Al ser un material inactivo, se busca utilizar la cantidad mínima de negro de humo para cumplir con las métricas deseadas de rendimiento y eficiencia de la batería.
En este sentido, son claves las métricas de rendimiento que relacionan una funcionalidad óptima y una longevidad de las baterías con los grados de negro de humo. Esto requiere un equilibrio meticuloso, que garantice que estén optimizados para brindar la conductividad y el soporte estructural necesarios, incluso cuando se utilizan en cantidades mínimas.
De hecho, existen diferencias notables en los grados de negro de humo requeridos para diferentes tipos de baterías de iones de litio, como las utilizadas en vehículos eléctricos o electrónica de consumo.
Las diferentes químicas del cátodo, como el litio ferrofosfato (LFP) o la terna NMC (níquel, manganeso, cobalto), la formulación de los ánodos y la aplicación final de la batería (vehículos eléctricos o electrónica de consumo) requiere diferentes grados de negro de humo que no solo cumplan con los requerimientos de conductividad sino que mejoren significativamente el rendimiento y la durabilidad de las baterías de litio en cada uso.
