Comprender los factores detrás de la disminución de la capacidad de las baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio han provocado un cambio en el mundo de la electrónica y los vehículos eléctricos debido a su alta densidad energética, su diseño liviano y su naturaleza recargable. Sin embargo, como cualquier batería, su capacidad tiende a disminuir con el tiempo y con el uso repetido. El desvanecimiento de la capacidad se refiere a la disminución en la capacidad de una batería para mantener la carga. En este artículo exploraremos las razones detrás de este fenómeno de pérdida de capacidad en las baterías de iones de litio y arrojaremos luz sobre los mecanismos implicados.

Materiales de ánodo y cátodo

Los materiales empleados tanto para el ánodo como para el cátodo en las baterías de iones de litio desempeñan un papel en la determinación de su rendimiento y longevidad. Estos componentes están formados por materiales que facilitan el movimiento de los iones de litio durante los ciclos de descarga de carga.

Material del ánodo;

Tradicionalmente se ha preferido el grafito como material para construir ánodos de baterías de iones de litio debido a su capacidad para intercalar iones de litio. Sin embargo, con esta ventaja, los ánodos de grafito no son completamente inmunes a la pérdida de capacidad. Varios factores contribuyen al desvanecimiento de la capacidad relacionada con el ánodo;

Crecimiento de la Interfase de Electrolitos Sólidos (SEI); Con el tiempo, cuando los iones de litio se insertan y extraen repetidamente, se forma una capa llamada interfase de electrolito sólido (SEI) en la superficie del ánodo. Si bien esta capa es crucial para la estabilidad de la batería, su crecimiento continuo puede obstaculizar el flujo de iones de litio, lo que resulta en una capacidad reducida.

Pérdida de Material Activo; Otro factor que contribuye a la pérdida de capacidad en el ánodo es la pérdida de material activo. A medida que la batería sufre ciclos de carga y descarga, pequeñas partículas del ánodo de grafito pueden desprenderse provocando una reducción de su capacidad.

Materiales Cátodos;

Los cátodos de las baterías de iones de litio suelen consistir en materiales como óxido de litio y cobalto (LiCoO2), óxido de litio y manganeso (LiMn2O4), fosfato de litio y hierro (LiFePO4) y otros. Cada material catódico exhibe propiedades que pueden contribuir a la pérdida de capacidad a través de mecanismos;

Disolución de Metales de Transición; Los materiales catódicos suelen contener metales de transición, como cobalto, manganeso y hierro. Durante los ciclos de carga y descarga, estos metales pueden disolverse en el electrolito de la batería. La presencia de iones metálicos disueltos puede interferir con el rendimiento de la batería y provocar una disminución de su capacidad.

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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Cambios estructurales; Algunos materiales utilizados en los cátodos pueden sufrir cambios en su estructura a medida que la batería pasa por ciclos de carga y descarga. Esto puede causar una disminución en la capacidad de la batería con el tiempo. Un ejemplo de esto se ve en los cátodos de óxido de cobalto y litio.

Colector de corriente;

El colector de corriente desempeña un papel en las baterías de iones de litio al conectar los materiales del ánodo y el cátodo al circuito externo. Si bien los colectores de corriente suelen estar hechos de materiales como cobre o aluminio, aún así pueden contribuir a la pérdida de capacidad.

Corrosión del colector de corriente; Con el tiempo, el colector de corriente puede corroerse debido a la exposición al electrolito y a los procesos electroquímicos que ocurren durante los ciclos de carga y descarga. Esta corrosión debilita la conexión entre los materiales y el circuito externo, lo que provoca una mayor resistencia y una pérdida de capacidad.

Delaminación; La delaminación se refiere a cuando hay una separación entre el colector y el material activo dentro de un electrodo. Esta separación puede ocurrir debido a las tensiones experimentadas durante el funcionamiento de la batería. Cuando se produce la delaminación, se interrumpe el flujo de electrones y el movimiento de los iones de litio, lo que reduce la capacidad de la batería y el rendimiento general.

Factores de carga y descarga

Los procesos de carga y descarga influyen en el funcionamiento de una batería de iones de litio. Varios factores asociados con estos procesos pueden contribuir a la disminución de la capacidad;

Sobredescarga; Exponer las baterías de iones de litio a cargas o descargas puede acelerar el deterioro de la capacidad. La sobrecarga puede provocar la formación de litio metálico en el ánodo, lo que provoca el crecimiento de dendritas y cortocircuitos que comprometen tanto la capacidad como la seguridad. Por otra parte, una descarga excesiva puede provocar la rotura del material del cátodo.

Altas Temperaturas De Funcionamiento; Las temperaturas elevadas durante el funcionamiento pueden afectar significativamente la capacidad de una batería de iones de litio. Las temperaturas más altas promueven el crecimiento de una capa llamada interfase de electrolito sólido (SEI) que dificulta el flujo de iones de litio. Además acelera la disolución de los metales de transición en el cátodo.

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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Profundidad de ciclismo; El grado de ciclo de una batería, es decir, cuánta carga se extrae y descarga durante cada ciclo, influye en la degradación de la capacidad. Las baterías sometidas a ciclos tienden a experimentar una rápida pérdida de capacidad en comparación con aquellas que se ciclan dentro de un rango más estrecho de profundidad de descarga.

Tarifa de cargo; La velocidad a la que se carga una batería de iones de litio puede afectar su capacidad a largo plazo. La carga rápida genera calor y estrés dentro de la batería, acelerando así la degradación de la capacidad. Las velocidades de carga más lentas y controladas generalmente tienen un impacto en la capacidad a largo plazo de una batería.

Velocidad de descarga; La velocidad a la que se descarga una batería puede afectar su capacidad. Las altas tasas de descarga, como las necesarias para la aceleración de los vehículos, pueden contribuir a un aumento en la pérdida de capacidad. Gestionar las tasas de descarga y emplear sistemas de amortiguación puede ayudar a mitigar este efecto.

Duración del Descanso; Tomar períodos de descanso entre los ciclos de carga y descarga de las baterías de iones de litio puede ayudar a reducir la pérdida de capacidad. Durante estos periodos de descanso las reacciones químicas dentro de la batería se estabilizan disminuyendo la acumulación de SEI (Interfase de Electrolito Sólido) y ampliando su capacidad.

Ciclos de profundidad de descarga (DoD); Mantener un rango de profundidad de descarga para las baterías de iones de litio durante sus ciclos puede minimizar la pérdida de capacidad. Las baterías que se descargan con frecuencia, como las empleadas en aplicaciones que requieren producción de energía, son más propensas a experimentar pérdida de capacidad.

Frecuencia Del Ciclo; La frecuencia con la que se producen los ciclos de carga y descarga también influye en el desvanecimiento de la capacidad. Las baterías que se someten a ciclos frecuentes tienden a experimentar una rápida pérdida de capacidad en comparación con las que se utilizan de forma intermitente.

Teniendo en cuenta estos factores relacionados con la carga y descarga, los fabricantes e investigadores de baterías pueden desarrollar estrategias para extender la vida útil y mantener la capacidad de las baterías de iones de litio. Esto, a su vez, mejorará el rendimiento de los dispositivos y sistemas que dependen de estas soluciones de almacenamiento de energía.

Conclusión

Para mejorar la tecnología de las baterías y aumentar la vida útil de las baterías de iones de litio, es fundamental comprender las causas de la disminución de la capacidad. Si bien todas las baterías experimentan este fenómeno hasta cierto punto, los investigadores e ingenieros trabajan continuamente en estrategias para minimizar su impacto.

Se están realizando esfuerzos para desarrollar materiales tanto para el ánodo como para el cátodo que ofrezcan una estabilidad mejorada y al mismo tiempo reduzcan el crecimiento en la interfaz del electrolito sólido (SEI). Además, las innovaciones en el diseño y los materiales de los colectores tienen como objetivo minimizar problemas como la corrosión y la delaminación. Además, los avances en los sistemas de gestión de baterías están ayudando a prevenir problemas como la sobrecarga, la sobredescarga y el funcionamiento a altas temperaturas.