Baterias de íons de lítio (LIBs) e células de combustível de hidrogênio (HFCs) estão impulsionando a transição para energias mais limpas, alimentando áreas que vão desde veículos elétricos até aplicações industriais. Essas tecnologias são essenciais para fornecer energia sustentável. Espera-se que a demanda mundial por baterias aumente. Em 2020, a energia armazenada em baterias em todo o mundo poderá fornecer uma hora de energia a 185 milhões de lares. Até 2030, esse número deverá crescer para mais de dois bilhões de famílias, ou mais de dez vezes mais. A crescente demanda por armazenamento de energia em veículos pessoais, caminhões comerciais e transportes públicos está impulsionando o aumento da demanda global por baterias, tornando a pesquisa e o desenvolvimento de materiais para baterias mais importantes do que nunca.
Apesar de alguns progressos, as tecnologias de baterias de íons de lítio e células de combustível ainda enfrentam desafios. Estes desafios incluem problemas de segurança e confiabilidade, problemas de sustentabilidade, extração de matérias-primas, duração limitada e tempo de carregamento excessivo. O foco atual é o desenvolvimento de novas configurações de materiais para lidar com densidades de carga mais elevadas, oferecendo maior estabilidade térmica, maior sustentabilidade e preços mais acessíveis. Isso significa que a próxima geração de pilhas e células de combustível apresentará enormes oportunidades de desenvolvimento, com investimentos em armazenamento de energia em pilhas excedendo 50 bilhões de dólares até 2024.
Foco no desenvolvimento de materiais
O desenvolvimento de novas tecnologias exige muitas vezes melhorias sutis, mas críticas, nos materiais existentes. Por exemplo, os pesquisadores estão tentando usar vários óxidos metálicos de transição de lítio como materiais positivos para baterias, concentrando-se em sua nanoestrutura e otimizando o processo de preparação.Em muitos estudos nessa área, os pesquisadores precisam fazer ajustes sutis no material e, em seguida, observar como esses ajustes sutis afetam as propriedades básicas do material. É aqui que a tecnologia de análise térmica (TA) desempenha um papel fundamental.
Análise das propriedades dos materiais com técnicas de análise térmica
A análise térmica de materiais abrange uma ampla gama de categorias e pode medir várias propriedades através de diferentes instrumentos. Por exemplo:
- Método térmico de varredura diferencial (DSC)A medição do fluxo de calor determina os principais parâmetros de desempenho dos materiais, incluindo propriedades como transformação de vidro, fusão, cristalização, capacidade térmica, cristalidade e estabilidade térmica, que são essenciais para o desenvolvimento de membranas e eletrólitos.
- Análise térmica e pesada (TGA)Informações importantes como o teor de umidade do material em ambientes inertes e oxidantes, o teor de solventes residuais, o teor de ingredientes liberados a temperaturas específicas e a estabilidade térmica podem ser fornecidas como orientações essenciais para o desenvolvimento de componentes da bateria.
- Análise térmica sincronizada (STA)A combinação de DSC (Differential Scan Quantity Thermometer) e TGA (Thermal Weight Analysis) permite a medição sincronizada do fluxo de calor e das mudanças de peso para fornecer uma análise completa das características de comportamento térmico dos materiais da bateria.
- Análise termomecânica (TMA)A medição da expansão e contração térmica do material em diferentes temperaturas é essencial para avaliar a membrana da bateria.
- Análise termomecânica dinâmica (DMA)A medição das propriedades do material em diferentes frequências é essencial para a pesquisa de materiais de bateria.
Essas técnicas ajudam os pesquisadores a entender e melhorar o material da bateria
Exemplo de DSC (Differential Scan Calorimetry) para o comportamento de descarga térmica de componentes de bateria
A figura abaixo ilustra como o DSC é usado para medir o comportamento de descarga térmica de eletrólitos e materiais positivos, determinando assim sua estabilidade térmica.Análise sincronizada de peso térmico (STA) e Real View ® Exemplos de teste de estabilidade térmica da membrana
A estabilidade térmica da membrana de polietileno puro foi testada com STA e os resultados mostraram que ocorreu uma decomposição térmica a 450 ° C. Devido à menor massa da amostra (0,056 mg), foram observadas leves flutuações no início. Real View ® As imagens confirmam que essas flutuações durante a medição são causadas por movimentos de materiais e mudanças de forma na placa de amostra.Comparação de vários exemplos de análise termomecânica (TMA) de expansão térmica de diafragma
O gráfico TMA mostra a expansão térmica de diversas membranas sob a força de tracção. A membrana de polietileno puro (verde) tem a maior expansão e contração, enquanto a membrana revestida de óxido de alumínio (vermelho) tem a menor expansão e contração. A membrana revestida de aramide (azul) tem a temperatura de contração mais alta, indicando que sua capacidade de manter a forma é melhor do que as outras duas membranas.Inspeção de impurezas de materiaisA presença de certas impurezas pode desviar os resultados, resultando em inconsistências e propriedades anormais do material. A análise térmica pode mostrar a presença de outros materiais em amostras de polímeros e, como essas propriedades térmicas são semelhantes a impressões digitais, pode fornecer informações precisas sobre outros materiais.
conclusão
Os avanços nos materiais de bateria são essenciais para o desenvolvimento de energia sustentável no futuro. Usando a tecnologia de análise térmica, os fabricantes podem desenvolver materiais que atendam aos rigorosos requisitos das aplicações modernas, garantindo assim segurança, confiabilidade e eficiência. As tecnologias de análise térmica fornecem informações críticas sobre as propriedades dos materiais, ajudando os operadores a otimizar os processos de produção, melhorar a qualidade dos produtos e reduzir custos. Investir em ferramentas avançadas de análise térmica não só impulsiona a inovação, mas também dá aos fabricantes uma vantagem competitiva no setor de energia em rápido crescimento.
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