Comparación de ventajas y desventajas entre la batería de hierro-litio y la batería de polímero de litio.

El rendimiento de las baterías de iones de litio depende principalmente de la estructura y el rendimiento de los materiales internos de las baterías utilizadas. Los materiales internos de estas baterías incluyen materiales de electrodos negativos, electrolitos, diafragma y materiales de electrodos positivos. Entre ellos, la selección y la calidad de los materiales de los electrodos positivos y negativos determinan directamente el rendimiento y el precio de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, la investigación de materiales positivos y negativos baratos y de alto rendimiento siempre ha sido el foco del desarrollo de la industria de las baterías de iones de litio. Los materiales negativos generalmente usan materiales de carbono y el desarrollo actual es relativamente maduro. El desarrollo de materiales positivos se ha convertido en un factor importante que restringe la mejora adicional del rendimiento y el precio de las baterías de iones de litio. En las baterías de iones de litio comercializadas actualmente, el costo del material del cátodo representa aproximadamente el 40% del costo total de la batería. La reducción del precio del material del cátodo determina directamente la reducción del precio de la batería de iones de litio. Esto es particularmente cierto para las celdas de energía de iones de litio. Por ejemplo, una pequeña batería de iones de litio para un teléfono móvil requiere solo unos 5 gramos de material positivo, mientras que una batería de iones de litio para un autobús puede requerir hasta 500 kilogramos de material positivo.

La medición de la calidad de los materiales de los electrodos positivos de la batería de iones de litio se puede evaluar aproximadamente a partir de los siguientes aspectos: (1) Los materiales de los electrodos positivos deben tener un potencial Redox más alto, de modo que la batería tenga un voltaje de salida más alto; (2) Los iones de litio se pueden incrustar y desempaquetar de forma reversible en una gran cantidad de materiales de cátodo para permitir que la batería tenga una alta capacidad; (3) En el proceso de incrustación / desembebido de iones de litio, la estructura del material del electrodo positivo no debe cambiar o cambiar levemente tanto como sea posible para asegurar un buen rendimiento de ciclo de la batería; (4) El cambio del potencial Redox positivo en el proceso de incrustación / desembebido de iones de litio debe ser lo más pequeño posible para que el voltaje de la batería no cambie significativamente para garantizar que la batería se cargue y descargue sin problemas; (5) El material del electrodo positivo debe tener una alta conductividad para que la batería se pueda cargar y descargar con grandes corrientes; (6) El polo positivo no reacciona con electrolitos, etc .; (7) Los iones de litio deben tener un gran coeficiente de difusión en el material del electrodo para facilitar la carga y descarga rápida de la batería; El precio es barato y no contamina el medio ambiente.

Los materiales de los electrodos positivos de las baterías de iones de litio son generalmente óxidos de litio. Se han realizado más estudios sobre LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiFePO4 y óxidos de vanadio. Los materiales de cátodo de polímero conductor también han despertado un gran interés.

1, LiCoO2

El LiCoO2 con estructura en capas se utiliza básicamente como material positivo en la batería comercial de iones de litio actual. Su capacidad teórica es de 274 mAh / gy su capacidad real es de aproximadamente 140 mAh / g. También se informa que la capacidad real ha alcanzado los 155 mAh / g. Las principales ventajas de este material positivo son: voltaje de funcionamiento más alto (el voltaje de funcionamiento promedio es de 3,7 V), voltaje de carga y descarga estable, adecuado para carga y descarga de corriente grande, mayor energía que, mejor rendimiento de circulación, alta conductividad, proceso de producción simple, fácil de preparar y así sucesivamente. Las principales desventajas son: costoso, poca resistencia a la sobrecarga y es necesario mejorar aún más el rendimiento de la circulación.

2, LiNiO2

LiNiO2 para materiales de electrodo positivo de batería de iones de litio tiene una estructura en capas similar a LiCoO2. Su capacidad teórica es de 274 mAh / gy su capacidad real ha alcanzado de 190 mAh / ga 210 mAh / g. El rango de voltaje de operación es de 2.5 a 4.2 V. Las principales ventajas de este material positivo son: baja tasa de autodescarga, ausencia de contaminación, buena compatibilidad con una variedad de electrolitos y más económico que el LiCoO2. Sin embargo, LiNiO2 tiene desventajas fatales: las condiciones de preparación de LiNiO2 son muy duras, lo que trae considerables dificultades para la producción comercial de LiNiO2; La estabilidad térmica de LiNiO2 es pobre. En comparación con los materiales de electrodo positivo LiCoO2 y LiMn2O4 en las mismas condiciones, LiNiO2 tiene la temperatura de descomposición térmica más baja (aproximadamente 200 ° C) y la liberación de calor más alta, lo que conlleva grandes riesgos de seguridad para la batería; LiNiO2 es propenso a cambios estructurales en el proceso de carga y descarga, lo que resulta en un rendimiento de ciclo deficiente de la batería. Estas deficiencias hacen que LiNiO2 sea un gran camino a seguir como material positivo para las baterías de iones de litio.

3, LiMn2O4

LiMn2O4 utilizado en materiales de electrodos positivos de baterías de iones de litio tiene una estructura de espinela. Su capacidad teórica es de 148 mAh / gy su capacidad real es de 90 a 120 mAh / g. El rango de voltaje de funcionamiento es de 3 a 4 V. Las principales ventajas de este material positivo son: rico en recursos de manganeso, barato, de alta seguridad y relativamente fácil de preparar. La desventaja es que la capacidad teórica no es alta; El material se disolverá lentamente en el electrolito, es decir, su compatibilidad con el electrolito no es buena; En el proceso de carga y descarga profunda, el material es propenso a la deformación reticular, lo que resulta en una rápida disminución de la capacidad de la batería, especialmente cuando se usa a temperaturas más altas. Para superar las deficiencias anteriores, en los últimos años se ha desarrollado recientemente una estructura en capas de óxido de manganeso trivalente LiMnO2. La capacidad teórica de este material de cátodo es de 286 mAh / gy la capacidad real es de aproximadamente 200 mAh / g. El rango de voltaje de funcionamiento es de 3 a 4,5 V. Aunque en comparación con la estructura de espinela LiMn2O4, LiMnO2 tiene un gran aumento en la capacidad teórica y la capacidad real, todavía existe un problema de inestabilidad estructural durante la carga y descarga. Durante el proceso de carga y descarga, la estructura cristalina cambia repetidamente entre la estructura en capas y la estructura de la espinela, provocando una expansión y contracción repetidas del volumen del electrodo, lo que da como resultado el deterioro del rendimiento del ciclo de la batería. Además, LiMn O2 también tiene problemas de disolución a temperaturas de funcionamiento más altas. La solución a estos problemas es LiMnO2 dopado y modificado en la superficie. Se ha logrado un buen progreso.

4, LiFePO4

El material tiene una estructura de cristal de olivino y es uno de los materiales de cátodo de batería de iones de litio más populares estudiados en los últimos años. Su capacidad teórica es de 170 mAh / gy su capacidad real es tan alta como 110 mAh / g sin modificación de dopaje. Mediante la modificación de la superficie de LiFePO4, su capacidad real puede llegar a 165 mAh / g, que ya está muy cerca de la capacidad teórica. El rango de voltaje de funcionamiento es de aproximadamente 3,4 V. En comparación con los materiales positivos descritos anteriormente, LiFePO4 es muy estable, más seguro *, más ecológico y económico. Las principales desventajas de LiFePO4 son la baja capacidad teórica y la baja conductividad a temperatura ambiente. Por las razones anteriores, LiFePO4 tiene una muy buena perspectiva de aplicación en grandes baterías de iones de litio. Sin embargo, para demostrar una fuerte competitividad en el mercado en todo el campo de las baterías de iones de litio, LiFePO4 enfrenta las siguientes desventajas: (1) Competencia de bajo costo de los materiales positivos LiMn2O4, LiMnO2 y LiNiMO2; (2) Las personas pueden dar preferencia a materiales de batería específicos más adecuados en diferentes campos de aplicación; (3) LiFePO4 tiene poca capacidad de batería; (4) En el campo de la alta tecnología, la gente puede estar más preocupada no por el costo sino por el desempeño, como la aplicación de teléfonos móviles y computadoras portátiles; (5) LiFePO4 necesita urgentemente mejorar su conductividad cuando se descarga a una profundidad de 1C para aumentar su capacidad específica. (6) En términos de seguridad, LiCoO2 representa los estándares de seguridad de la industria actual, y la seguridad de LiNiO2 también se ha mejorado considerablemente. Solo LiFePO4 muestra un mayor rendimiento de seguridad, especialmente en vehículos eléctricos y otras aplicaciones. Con el fin de garantizar su plena ventaja competitiva en seguridad. La siguiente tabla compara las propiedades de diferentes materiales de cátodos de baterías de iones de litio.

Una comparación de las propiedades de la batería producidas por varios materiales es la siguiente.

Componente de la batería batería de litio-hierro-fosfato batería de litio-cobalto batería de litio-manganeso batería de litio-cobalto-níquel

C-LiFePO 4LiCoO2LiMn2O4Li (NiCo) O2

La seguridad y la protección del medio ambiente requieren la mejor seguridad, y la mayoría de los requisitos ecológicos muy poca estabilidad, muy inseguro es una estabilidad aceptable muy deficiente, muy inseguro

El mejor número aceptable de ciclos

Densidad de energía aceptable, aceptable, óptima.

El costo más económico y aceptable de uso a largo plazo

La tolerancia a la temperatura es excelente (-40 ° C ~ 70 ° C todavía se puede utilizar normalmente) es superior a 55 ° C o inferior a -20 ° C, la disminución es superior a 50 ° C y la rápida disminución es superior a 55 ° C o menos de -20 ° C.

Aunque existen muchos tipos de materiales de electrodo positivo que teóricamente se pueden utilizar como baterías de iones de litio, el material de electrodo positivo más utilizado en las baterías de iones de litio de producción comercial sigue siendo el LiCoO2. Aunque la estructura estratificada del LiNiO2 tiene una capacidad específica mayor que la del LiCoO2, debido a los cambios estructurales y problemas de seguridad provocados por su reacción de descomposición térmica, existe una distancia considerable entre el uso directo de LiNiO2 como material positivo. Sin embargo, reemplazar el LiNi1-xCoxO2 más seguro con Co puede ser una dirección de desarrollo importante en el futuro. La estructura de espinela LiMn2O4 y la estructura en capas LiMnO2 se consideran uno de los candidatos positivos competitivos del mercado debido a sus ricos recursos de materias primas, obvias ventajas de precio y alto rendimiento de seguridad. Pero el problema de la inestabilidad estructural en el proceso de carga y descarga será un tema de investigación importante en el futuro. La capacidad de descarga real de LiFePO4 con estructura de olivino ha alcanzado aproximadamente el 95% de la capacidad teórica y tiene las ventajas de bajo precio, alta seguridad, estructura estable y ausencia de contaminación ambiental. Se considera un material de cátodo ideal en grandes baterías de iones de litio.

El enlace PO en el cristal de fosfato de hierro y litio es estable y difícil de descomponer. Incluso a altas temperaturas o sobrecargas, no colapsará ni se calentará como el cobalto de litio, ni formará una sustancia oxidante fuerte, por lo que tiene buena seguridad. Algunos informes señalaron que en la operación real, se encontró que una pequeña cantidad de muestras ardían en experimentos de acupuntura o cortocircuito, pero no ocurrió ninguna explosión. En el experimento de sobrecarga, se utilizó alto voltaje, que era varias veces más que su propio voltaje de descarga, para cargar. Todavía hay una explosión. A pesar de esto, su seguridad de sobrecarga ha mejorado mucho en comparación con las baterías de ácido de cobalto de litio electrolítico líquido común.

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