¿Cuáles son los componentes principales de los materiales de las baterías de iones de litio?

Las baterías de iones de litio constan de varios componentes clave, cada uno de los cuales desempeña un papel específico en el funcionamiento de la batería. Los componentes principales incluyen:

Cátodo:

Material activo El cátodo normalmente contiene un óxido de metal de litio, como óxido de litio y cobalto (LiCoO2), óxido de litio y manganeso (LiMn2O4), fosfato de litio y hierro (LiFePO4) u otros óxidos de metales de transición de litio. Este material sufre una intercalación y desintercalación reversible de iones de litio durante los ciclos de carga y descarga.

Aditivos conductores Se añaden al cátodo materiales a base de carbono, como negro de humo o grafito, para mejorar la conductividad eléctrica.

Aglutinantes Los aglutinantes se utilizan para mantener juntos el material activo y los aditivos conductores en la estructura del cátodo.

Ánodo:

Material activo El ánodo normalmente consiste en un material capaz de intercalar iones de litio, como el grafito (carbono). En algunas baterías avanzadas, también se está explorando el silicio como material anódico.

Aditivos conductores Al igual que el cátodo, el ánodo incluye materiales a base de carbono para mejorar la conductividad eléctrica.

Aglutinantes Los aglutinantes se utilizan para mantener juntos el material activo y los aditivos conductores en la estructura del ánodo.

Electrólito:

Sal de litio El electrolito contiene una sal de litio, como hexafluorofosfato de litio (LiPF6), perclorato de litio (LiClO4), tetrafluoroborato de litio (LiBF4) u otros. La sal de litio se disocia en iones de litio, que se mueven entre el ánodo y el cátodo durante la carga y descarga.

Celda de batería LiFePO4 de baja temperatura de 3,2 V y 20 A -40 ℃ Capacidad de descarga de 3C≥70 % Temperatura de carga: -20~45 ℃ Temperatura de descarga: -40~+55 ℃ Prueba de acupuntura aprobada -40 ℃ Tasa máxima de descarga: 3C

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Separador:

Separador polimérico Se coloca un separador polimérico poroso entre el cátodo y el ánodo para evitar el contacto directo entre ellos y al mismo tiempo permitir el paso de los iones de litio. El separador suele estar hecho de materiales como polietileno o polipropileno.

Coleccionistas actuales:

Colector de corriente catódico Normalmente hecho de aluminio, el colector de corriente catódico recoge electrones del cátodo durante la descarga.

Estos componentes trabajan juntos para facilitar el movimiento de iones de litio entre el ánodo y el cátodo durante la carga y descarga, lo que permite que la batería de iones de litio almacene y libere energía eléctrica. El diseño y la optimización adecuados de estos componentes son fundamentales para lograr el rendimiento, la seguridad y la longevidad deseados de las baterías de iones de litio.

Material del cátodo con base de estaño

De hecho, los materiales a base de estaño se utilizan como cátodos en ciertos tipos de baterías de iones de litio, específicamente en baterías de iones de litio con químicas alternativas más allá de los cátodos tradicionales de óxido de litio y cobalto (LiCoO2). Los cátodos a base de estaño se asocian principalmente con baterías de iones de litio que utilizan compuestos de óxido de estaño. Aquí hay un par de ejemplos:

Óxido de litio y estaño (Li4Ti5O12)

El titanato de litio, con fórmula química Li4Ti5O12, es una estructura de espinela que contiene estaño (Ti). El titanato de litio es conocido por su excelente ciclo de vida, capacidad de alta velocidad y buenas características de seguridad. Se utiliza como material anódico en lugar de catódico en baterías de iones de litio.

Batería de polímero resistente para portátiles de alta densidad de energía y baja temperatura Especificación de la batería: 11,1 V 7800 mAh -40 ℃ Capacidad de descarga de 0,2 C ≥80 % A prueba de polvo, resistencia a caídas, anticorrosión, antiinterferencias electromagnéticas

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Óxidos de estaño (SnO2, SnO, Sn2O3, etc.)

Se han investigado varios compuestos de óxido de estaño por su potencial como materiales catódicos. El dióxido de estaño (SnO2), el monóxido de estaño (SnO) y el sesquióxido de estaño (Sn2O3) se encuentran entre los compuestos a base de estaño explorados. Los óxidos de estaño pueden sufrir intercalación y desintercalación de iones de litio durante los ciclos de carga y descarga.

Los cátodos a base de estaño, si bien ofrecen ciertas ventajas, también enfrentan desafíos como la expansión del volumen durante el ciclo, lo que puede provocar tensión mecánica y afectar el rendimiento general y la vida útil de la batería. Los investigadores están trabajando activamente para abordar estos desafíos y mejorar las propiedades de los materiales catódicos a base de estaño para hacerlos más competitivos y prácticos para aplicaciones comerciales de baterías de iones de litio.

Es importante tener en cuenta que la tecnología de baterías de iones de litio es un campo que evoluciona rápidamente y que continuamente se exploran nuevos materiales y avances para mejorar el rendimiento, la seguridad y la densidad de energía de las baterías de iones de litio.

nitruro

Si bien los materiales de nitruro no se utilizan con tanta frecuencia en las baterías de iones de litio como los óxidos o los sulfuros, se han realizado algunas investigaciones y exploraciones sobre el uso potencial de los nitruros en varios componentes de las baterías.

Nitruro de titanio (TiN)

Se ha investigado el uso potencial del nitruro de titanio como material anódico en baterías de iones de litio. El TiN tiene una alta capacidad teórica y puede sufrir inserción y extracción de iones de litio durante el ciclo. Sin embargo, es necesario abordar desafíos como la expansión y contracción del volumen durante los ciclos de litiación y delitiación para aplicaciones prácticas.

Nitruro de Vanadio (VN):

El nitruro de vanadio es otro material de nitruro que se ha estudiado para aplicaciones de baterías de iones de litio, particularmente como material catódico potencial. VN exhibe buena conductividad eléctrica y tiene la capacidad de almacenar y liberar iones de litio, lo que lo convierte en un candidato interesante para determinadas químicas de baterías.

El campo de la investigación de baterías es dinámico y los científicos exploran continuamente nuevos materiales y formulaciones para mejorar la densidad de energía, el ciclo de vida y la seguridad de las baterías de iones de litio. El uso de nitruros u otros materiales emergentes puede volverse más prominente en el futuro a medida que avance la investigación y evolucione la tecnología.

Aleaciones

Los ánodos de aleación en baterías de iones de litio han sido objeto de investigación y desarrollo como alternativa a los ánodos de grafito tradicionales. Los ánodos de aleación pueden proporcionar una mayor densidad de energía en comparación con el grafito, lo que permite una mayor capacidad de almacenamiento de litio. A continuación se muestran algunos ejemplos de ánodos de aleación explorados para su uso en baterías de iones de litio:

Ánodos de silicio (Si)

El silicio ha sido ampliamente estudiado como material anódico debido a su alta capacidad teórica (alrededor de 4200 mAh/g), muy superior a la del grafito. El silicio sufre un cambio de volumen significativo durante la litiación y la delitiación, lo que provoca tensión mecánica y pulverización de electrodos. Se están explorando varias estrategias, como el nanodimensionamiento, la nanoestructuración y el uso de silicio en compuestos, para mitigar estos desafíos.

Ánodos de estaño (Sn)

El estaño es otro material que se ha investigado para su uso como ánodo en baterías de iones de litio. Al igual que el silicio, el estaño también sufre cambios de volumen significativos durante los procesos de aleación y desaleación del litio. Alear el estaño con otros elementos o incorporarlo a materiales compuestos puede ayudar a abordar los problemas de expansión de volumen.

Ánodos de antimonio (Sb)

El antimonio ha sido investigado como material anódico con una capacidad teórica mayor que el grafito. La aleación y desaleación con iones de litio puede tener lugar en electrodos de antimonio. Es necesario abordar desafíos como la disminución de la capacidad y los cambios de volumen para aplicaciones prácticas.

Si bien los ánodos de aleación ofrecen altas capacidades teóricas, superar los desafíos relacionados con los cambios de volumen, la estabilidad del ciclo y la arquitectura de los electrodos sigue siendo un foco de investigación en curso. Además, la elección de la aleación y el diseño del ánodo deben considerar los aspectos generales de rendimiento, costo y seguridad de las baterías de iones de litio.