Principio de funcionamiento de las baterías de iones de litio

Batería de iones de litio: es una batería secundaria (batería recargable) que se basa principalmente en los iones de litio que se mueven entre los electrodos positivo y negativo para funcionar. Durante la carga y descarga, Li + se intercala y desintercala entre los dos electrodos: durante la carga, Li + se desintercala del electrodo positivo, y el electrolito se incrusta en el electrodo negativo, y el electrodo negativo está en un estado rico en litio;

Las baterías de litio se clasifican en baterías de litio y baterías de iones de litio. Tanto los teléfonos móviles como las computadoras portátiles usan baterías de iones de litio, que comúnmente se conocen como baterías de litio. La batería generalmente utiliza un material que contiene litio como electrodo y es representativa de las baterías modernas de alto rendimiento. Las verdaderas baterías de litio rara vez se utilizan en la electrónica diaria debido a su alto riesgo.

La batería de iones de litio fue desarrollada por primera vez por Sony Corporation de Japón en 1990. Es para insertar iones de litio en carbono (coque de petróleo y grafito) para formar un electrodo negativo (litio para baterías de litio o aleaciones de litio para baterías de litio convencionales). El material del electrodo positivo se usa comúnmente para LixCoO2, LixNiO2 y LixMnO4, y LiPF6 + carbonato de dietileno (EC) + carbonato de dimetilo (DMC) para el electrolito.

El coque de petróleo y el grafito como materiales no tóxicos no son tóxicos y tienen recursos suficientes. Los iones de litio están incrustados en el carbono, lo que supera la alta actividad del litio y resuelve los problemas de seguridad de las baterías de litio tradicionales. El LixCoO2 positivo puede alcanzar el rendimiento y la vida de carga y descarga. Cuanto mayor sea el nivel, menor será el costo y se mejorará el rendimiento general de la batería de iones de litio. Se espera que las baterías de iones de litio ocupen un gran mercado en el siglo XXI.

La fórmula de reacción para cargar y descargar baterías secundarias de iones de litio es LiCoO2 + C = Li1-xCoO2 + LixC

Las baterías de iones de litio se confunden fácilmente con los siguientes dos tipos de baterías:

(1) batería de litio: el litio metálico se utiliza como electrodo negativo.

(2) Batería de iones de litio: se utiliza un electrolito orgánico líquido no acuoso.

(3) batería de polímero de iones de litio: se usa un polímero para gelificar un solvente orgánico líquido, o se usa directamente un electrolito completamente sólido. Las baterías de iones de litio generalmente utilizan un material de carbono a base de grafito como electrodo negativo.

La batería de iones de litio utiliza un material de carbono como electrodo negativo y un compuesto que contiene litio como electrodo positivo, y no existe metal de litio, solo iones de litio. Una batería de iones de litio es un término general para una batería en la que se utiliza un compuesto de intercalación de iones de litio como material de electrodo positivo. El proceso de carga y descarga de una batería de iones de litio es un proceso de intercalación y desintercalación de iones de litio. En el proceso de intercalación y desintercalación de iones de litio, inserción y desintercalación concomitante de electrones equivalentes con iones de litio (comúnmente denominada incrustación o desintercalación del electrodo positivo e inserción o desintercalación del electrodo negativo). Durante la carga y descarga, los iones de litio se intercalan / desintercalan y se insertan / desintercalan entre los electrodos positivo y negativo, y se denominan acertadamente "baterías de mecedora".

Las baterías de iones de litio tienen una alta densidad de energía y un alto voltaje de salida promedio. La autodescarga es pequeña, menos del 10% por mes. No hay efecto memoria. El rango de temperatura de funcionamiento es de -20 ° C ~ 60 ° C.Excelente rendimiento de ciclo, carga y descarga rápidas, eficiencia de carga de hasta 100% y alta potencia de salida. duradero. Sin contaminación ambiental, se llama batería verde.

Una "batería de litio" es un tipo de batería que utiliza un metal de litio o una aleación de litio como material de electrodo negativo y utiliza una solución de electrolito no acuoso. Las baterías de metal de litio fueron propuestas y estudiadas por primera vez por Gilbert N. Lewis en 1912. En la década de 1970, MS Whittingham propuso y comenzó a investigar las baterías de iones de litio. Debido a las propiedades químicas muy activas del metal de litio, el procesamiento, almacenamiento y uso del metal de litio son muy exigentes para el medio ambiente. Por lo tanto, las baterías de litio no se han utilizado durante mucho tiempo. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, las baterías de litio se han convertido en la corriente principal.

Las baterías de litio se pueden dividir aproximadamente en dos categorías: baterías de metal de litio y baterías de iones de litio. Las baterías de iones de litio no contienen litio metálico y son recargables. La batería de litio-metal de quinta generación de baterías recargables nació en 1996, y su seguridad, capacidad específica, tasa de autodescarga y relación precio rendimiento son mejores que las baterías de iones de litio. Debido a sus propios altos requisitos técnicos, solo unas pocas empresas en el país están produciendo tales baterías de metal de litio.

Batería de metal de litio:

Una batería de metal de litio es generalmente una batería que utiliza dióxido de manganeso como material de electrodo positivo, litio metálico o una aleación del mismo como material de electrodo negativo y una solución de electrolito no acuoso.

Principio básico de la batería de litio.

Principio básico de la batería de litio.

Reacción de descarga: Li + MnO2 = LiMnO2

Batería de iones de litio:

Una batería de iones de litio es generalmente una batería que utiliza un óxido metálico de aleación de litio como material de electrodo positivo, grafito como material de electrodo negativo y un electrolito no acuoso.

La reacción que ocurre en el electrodo positivo cargado es

LiCoO2 == Li (1-x) CoO2 + XLi ++ Xe- (electrón)

La reacción que ocurre en el electrodo negativo de carga es

6C + XLi ++ Xe- = LixC6

Reacción total de la batería recargable: LiCoO2 + 6C = Li (1-x) CoO2 + LixC6

Positivo

Material de cátodo: hay muchos materiales de cátodo opcionales, y la mayoría de los productos principales utilizan fosfato de hierro y litio. Diferentes comparaciones de materiales de cátodos:

LiCoO2

3,7 V

140 mAh / g

Li2Mn2O4

4.0V

100 mAh / g

LiFePO4

3,3 V

100 mAh / g

Li2FePO4F

3,6 V

115 mAh / g

Reacción positiva del electrodo: los iones de litio se incrustan durante la descarga y los iones de litio se desintercalan durante la carga. Al cargar: LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi ++ xe-descarga: Li1-xFePO4 + xLi ++ xe- → LiFePO4.

Electrodo negativo

Material del ánodo: se utiliza principalmente grafito. Una nueva investigación ha encontrado que el titanato puede ser un mejor material.

Reacción negativa del electrodo: los iones de litio se desintercalan durante la descarga y los iones de litio se incrustan durante la carga.

Al cargar: xLi ++ xe- + 6C → LixC6

Al descargar: LixC6 → xLi ++ xe- + 6C

Las baterías de litio se utilizaron por primera vez en marcapasos. La batería de litio tiene una tasa de autodescarga muy baja y un voltaje de descarga plano, por lo que el marcapasos implantado en el cuerpo humano puede funcionar durante mucho tiempo sin recargarse. Las baterías de litio generalmente tienen un voltaje nominal superior a 3,0 voltios, lo que las hace más adecuadas para su uso como fuentes de alimentación de circuito integrado. Las baterías de dióxido de manganeso se utilizan ampliamente en calculadoras, cámaras digitales y relojes.

Para desarrollar variedades más excelentes, se han estudiado varios materiales para crear un producto sin precedentes.

En 1992, Sony desarrolló con éxito baterías de iones de litio. Su practicidad ha reducido en gran medida el peso y el volumen de dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles, computadoras portátiles y calculadoras.

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