Mejora de las baterías de iones de litio: Medición de la fricción de los aglutinantes de polímero

Los teléfonos inteligentes, los vehículos eléctricos y otras tecnologías han hecho que las baterías recargables de iones de litio sean esenciales para la vida moderna. Los ánodos de los nuevos diseños de baterías de mayor rendimiento contienen partículas de silicio (Si) y aglutinantes de polímero, donde los aglutinantes actúan para mantener la integridad mecánica y eléctrica a pesar de los drásticos cambios de volumen durante los ciclos. Aunque las propiedades de fricción de los aglutinantes, como la resistencia al cizallamiento interfacial, son fundamentales en este proceso, no se han estudiado en profundidad.

Los investigadores de la Universidad de Ulsan abordaron esta cuestión aplicando técnicas tribológicas a nanoescala a cinco aglutinantes poliméricos: ácido poliacrílico (PAA), poliacrilonitrilo (PAN), alcohol polivinílico (PVA), carboximetilcelulosa (CMC) y fluoruro de polivinilideno (PVDF). Al realizar los experimentos con la punta de Si de un microscopio de fuerza atómica (AFM), pudieron imitar las interacciones entre las partículas de Si y los aglutinantes poliméricos en escalas de longitud relevantes.

 

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Antes de los experimentos tribológicos, se adquirieron imágenes morfológicas a nanoescala con AFM tanto en aire como en solución electrolítica de LiPF6. La rugosidad de la superficie aumentó en general en el electrolito, probablemente debido a las mayores asperezas de la superficie por el hinchamiento del polímero. La disminución de la rugosidad observada en el PVDF se atribuyó a los cambios estructurales causados por la difusión del disolvente del electrolito en el polímero semicristalino.

(izquierda) Imágenes topográficas de los aglutinantes poliméricos con secciones de línea correspondientes a las líneas discontinuas; (derecha) Rugosidad RMS determinada a partir de las imágenes topográficas.

Las mediciones posteriores mostraron que las fuerzas de fricción disminuyeron notablemente en el electrolito, pero fluctuaron más debido a los cambios topográficos inducidos por el hinchamiento. De manera significativa, se extrajeron de los datos los valores de la resistencia intrínseca al cizallamiento interfacial τ0 y el coeficiente de presión α, y se comprobó que estaban correlacionados con la retención de la capacidad del ánodo tras 50 ciclos de carga/descarga en el electrolito.

Los resultados sugieren que las propiedades de resistencia al cizallamiento interfacial podrían ser mejores métricas del rendimiento del ligante que otras propiedades mecánicas y de adhesión. En última instancia, la comprensión más profunda de las propiedades de fricción de los aglutinantes poliméricos en los electrolitos obtenida a partir de este trabajo puede ayudar a mejorar la integridad mecánica de los ánodos de Si en las baterías, los supercondensadores y otros dispositivos de almacenamiento de energía.

(izquierda, arriba) Fuerza de fricción medida (símbolos) y ajuste al modelo (líneas discontinuas); (izquierda, abajo) Ejemplos de bucles de fricción; (derecha) Retención de capacidad y valores τ y α0 determinados a partir de los ajustes a los datos de fricción.

Instrumento utilizado

El experimento se realizó utilizando un MFP-3D con un accesorio de célula de fluido cerrada. El éxito de este experimento dependía de la capacidad del MFP-3D para realizar mediciones cuantitativas del bucle de fricción y tomar imágenes de alta resolución en aire y en solución.

La Célula de Fluido Cerrada utilizada en este experimento permite realizar mediciones en aire y en solución sin perturbar la muestra o la necesidad de mover el voladizo. Esto permite realizar comparaciones directas en el mismo lugar, minimizando las variaciones debidas a la heterogeneidad o rugosidad de la muestra.

El MFP-3D se diseñó específicamente para realizar mediciones de fuerza óptimas y tiene varias ventajas sobre otros AFM a la hora de realizar estas mediciones. Por ejemplo, los componentes de deflexión del haz óptico se mueven juntos, eliminando los grandes cambios relativos en la trayectoria de deflexión que dan lugar a errores de medición. Esto garantiza que sólo se mida la deflexión del voladizo y que la sensibilidad de la palanca óptica se mantenga constante durante la medición de la fuerza. El láser de detección también está optimizado, con un diodo superluminiscente (SLD) de 860 nm, que minimiza las interferencias ópticas asociadas a los diodos láser normales. Estas características permiten al MFP-3D realizar mediciones cuantitativas de desplazamiento y fuerza muy precisas.

Otra ventaja del MFP-3D con respecto a muchos AFM es el completo desacoplamiento del escáner piezoeléctrico XY del escáner Z. Esto garantiza que el rasterizado, o los movimientos laterales, sean muy planos. Los escáneres tubulares que incorporan los movimientos XY y Z juntos son propensos a los artefactos de arco, ya sea para obtener imágenes o para hacer bucles de fricción.

Por último, Asylum Research es la única empresa que utiliza transformadores diferenciales variables lineales (LVDT) como sensores de posición en los escáneres. En comparación con los sensores capacitivos y los sensores de galgas extensométricas más utilizados, los LVDT ofrecen un menor ruido, una menor deriva, una respuesta intrínsecamente lineal y nunca necesitan ser recalibrados. El bajo ruido del sensor y la respuesta lineal permiten al MFP-3D tomar imágenes de alta resolución con una metrología muy precisa.

Las capacidades de imagen de alta resolución del MFP-3D, las mediciones de espectroscopia precisas y la compatibilidad con una amplia gama de accesorios lo convierten en uno de los AFM más versátiles y potentes del mercado. Tanto si se trata de datos eléctricos, térmicos, magnéticos o nanomecánicos; de trabajar en solución o de controlar la temperatura, el MFP-3D es el más adecuado para la tarea.

 

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