¿Cuáles son los materiales electrolíticos de las baterías de iones de litio?

Las baterías de iones de litio utilizan materiales electrolíticos que permiten el movimiento de iones de litio entre los electrodos positivo y negativo durante las reacciones electroquímicas que ocurren durante la carga y descarga. El electrolito es un componente crítico de la batería, ya que juega un papel clave en el rendimiento general y la seguridad del sistema. A continuación se muestran algunos materiales electrolíticos comunes que se utilizan en las baterías de iones de litio:

Sales de litio

Las sales de litio más comunes utilizadas en el electrolito son el hexafluorofosfato de litio (LiPF6), el perclorato de litio (LiClO4), el tetrafluoroborato de litio (LiBF4), el hexafluoroarsenato de litio (LiAsF6) y la bis(trifluorometanosulfonil)imida de litio (LiTFSI). Estas sales se disocian en el electrolito para liberar iones de litio.

Solventes

El electrolito suele estar compuesto por una mezcla de disolventes orgánicos, que pueden incluir una combinación de carbonato de etileno (EC), carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de etilmetilo (EMC) y carbonato de propileno (PC). Estos disolventes ayudan a disolver la sal de litio y facilitan el movimiento de los iones de litio.

Aditivos

Se pueden incluir varios aditivos en el electrolito para mejorar el rendimiento, la estabilidad y la seguridad. Por ejemplo, los aditivos de electrolitos como el carbonato de fluoroetileno (FEC) y el carbonato de vinileno (VC) pueden mejorar la estabilidad de la interfaz sólido-electrolito (SEI) y extender el ciclo de vida de la batería.

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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Electrolitos poliméricos

Algunas baterías avanzadas de iones de litio utilizan electrolitos poliméricos en lugar de electrolitos líquidos. El óxido de polietileno (PEO) es un polímero común utilizado en este contexto.

Líquidos iónicos

En determinadas aplicaciones, se pueden utilizar líquidos iónicos como alternativa a los disolventes orgánicos tradicionales. Los líquidos iónicos son sales que existen en estado líquido a temperaturas relativamente bajas y pueden proporcionar mayor seguridad y estabilidad.

La combinación específica de estos materiales depende del diseño y la aplicación de la batería de iones de litio, así como de consideraciones relacionadas con la seguridad, el costo y el rendimiento. Los investigadores exploran continuamente nuevos materiales y formulaciones de electrolitos para mejorar la eficiencia, la seguridad y la densidad energética de las baterías de iones de litio.

Electrolito Orgánico

Los electrolitos orgánicos son componentes esenciales de las baterías de iones de litio y facilitan el movimiento de los iones de litio entre los electrodos positivo y negativo durante la carga y descarga. La composición del electrolito orgánico incluye sales de litio disueltas en una mezcla de disolventes orgánicos. A continuación se muestran algunos componentes comunes utilizados en electrolitos orgánicos para baterías de iones de litio:

Sal de litio

Hexafluorofosfato de litio (LiPF6) Esta es una de las sales de litio más utilizadas en electrolitos orgánicos para 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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Perclorato de litio (LiClO4) Otra opción de sal de litio que se puede utilizar en el electrolito.

Disolventes orgánicos:

Carbonato de etileno (EC) EC es un disolvente común en los electrolitos de las baterías de iones de litio. Mejora la conductividad y estabilidad del electrolito.

Carbonato de dimetilo (DMC) El DMC se utiliza a menudo como codisolvente con EC para mejorar el rendimiento a baja temperatura.

Carbonato de dietilo (DEC) DEC es otro solvente que puede contribuir a la mezcla general de solventes en el electrolito.

Carbonato de etilmetilo (EMC) El EMC es conocido por sus efectos beneficiosos sobre el comportamiento a baja temperatura en el electrolito.

Carbonato de propileno (PC) A menudo se incluye PC en la mezcla de disolventes para mejorar la estabilidad a altas temperaturas.

Aditivos:

Carbonato de fluoroetileno (FEC) FEC es un aditivo de electrolitos que ayuda a mejorar la estabilidad de la interfaz sólido-electrolito (SEI) en los electrodos, contribuyendo a un mejor rendimiento de la batería.

Carbonato de vinileno (VC) VC es otro aditivo utilizado para mejorar el SEI y mejorar el rendimiento cíclico de las baterías de iones de litio.

Además, se están realizando esfuerzos para desarrollar sistemas de electrolitos alternativos, incluidos electrolitos de estado sólido, para abordar ciertos desafíos asociados con los electrolitos líquidos tradicionales.

Electrolito Sólido

Los electrolitos sólidos son una alternativa prometedora a los electrolitos líquidos en las baterías de iones de litio y ofrecen ventajas potenciales como mayor seguridad, mayor densidad de energía y mayor estabilidad. Se están investigando varios tipos de electrolitos sólidos para su aplicación en baterías de iones de litio.

Electrolitos sólidos cerámicos:

Fosfatos de litio (LiPON) El oxinitruro de fósforo y litio (LiPON) es un electrolito sólido de película delgada que se ha estudiado para su uso potencial en baterías de iones de litio. Es un material cerámico conductor de litio.

Li7La3Zr2O12 (LLZO) LLZO es un electrolito sólido cerámico de tipo granate que exhibe una alta conductividad de iones de litio y buena estabilidad.

Li3xLa2/3-xTiO3 (LATP) El fosfato de litio, aluminio y titanio (LATP) es otro material cerámico que se ha investigado como electrolito sólido para baterías de iones de litio.

Electrolitos sólidos poliméricos:

Óxido de polietileno (PEO) El PEO es un polímero que se puede utilizar como electrolito sólido en baterías de iones de litio. A menudo se combina con sales de litio para mejorar la conductividad de los iones de litio.

Mezclas de polímeros Los investigadores están explorando varias mezclas de polímeros y materiales compuestos para mejorar la resistencia mecánica, la flexibilidad y el rendimiento general de los electrolitos poliméricos.

Electrolitos sólidos de vidrio

Sistema Li2S-P2S5 Ciertos materiales vítreos, como los del sistema Li2S-P2S5, se han mostrado prometedores como electrolitos sólidos debido a su alta conductividad de iones de litio.

Li7P3S11Este es un electrolito sólido de vitrocerámica que ha demostrado buena conductividad y estabilidad de iones de litio.

Electrolitos sólidos compuestos:

Materiales compuestos Los investigadores están trabajando en materiales compuestos de electrolitos sólidos que combinan diferentes tipos de electrolitos sólidos o integran electrolitos sólidos con otros materiales para lograr un equilibrio de propiedades.

Los electrolitos de estado sólido ofrecen el potencial de una mayor seguridad, ya que eliminan el electrolito líquido inflamable presente en las baterías de iones de litio tradicionales. Sin embargo, aún existen desafíos como la complejidad de fabricación, el costo y la necesidad de seguir mejorando la conductividad y la estabilidad. La investigación en curso se centra en abordar estos desafíos y acercar las baterías de iones de litio de estado sólido a la viabilidad comercial.

Agente conductor

En las baterías de iones de litio, se agregan agentes conductores a los materiales de los electrodos para mejorar su conductividad eléctrica. Hay dos tipos principales de agentes conductores utilizados en las baterías de iones de litio: materiales a base de carbono y aditivos conductores metálicos.

Agentes conductores a base de carbono:

Negro de humo El negro de humo es un aditivo conductor común que se utiliza tanto en los materiales del cátodo como del ánodo de las baterías de iones de litio. Es una forma de carbono finamente dividido que mejora la conductividad eléctrica y proporciona soporte estructural.

Nanotubos de carbono (CNT) Los CNT son estructuras cilíndricas hechas de átomos de carbono y tienen una excelente conductividad eléctrica. Cuando se incorporan a los materiales de los electrodos, los CNT pueden mejorar la conductividad general de los electrodos.

Aditivos conductores metálicos:

Polvos de aluminio y cobre Se pueden agregar polvos metálicos, como aluminio y cobre, a las formulaciones de electrodos para mejorar la conductividad eléctrica. A menudo se utilizan en combinación con materiales a base de carbono.

Nanopartículas metálicas Las partículas metálicas a nanoescala, como las nanopartículas de níquel o plata, se pueden incorporar a los materiales de los electrodos para mejorar la conductividad.

Vale la pena señalar que la selección y optimización adecuadas de los agentes conductores son cruciales para lograr un rendimiento óptimo de la batería, incluida una alta densidad de energía y potencia, una buena estabilidad cíclica y una eficiencia general.