Análisis químico de baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio son el nuevo mejor amigo de varios equipos y tecnologías. Ya sean autos híbridos, teléfonos o computadoras portátiles, la mayoría de ellos funcionan con baterías de iones de litio. Una de las cosas que se destacan en estas células es su densidad de energía. La densidad de energía de una batería de iones de litio promedio es el doble que la de una batería de NiCad. Esto significa que una batería de litio más ligera y pequeña puede ofrecer la misma potencia que una batería de NiCad de tamaño considerable. Por lo tanto, son mejores para dispositivos electrónicos portátiles.

Materiales químicos para la formación de baterías de iones de litio

El ion de litio es el material químico central utilizado en la formación de la batería. Ambos electrodos están hechos de un material que puede absorber fácilmente los iones de litio a través de un proceso conocido como intercalación. En este proceso, los iones de litio cargados se mantienen en los electrodos, produciendo así energía. En el proceso de formación de la batería de iones de litio, los iones se enlazan con electrones y se enlazan al ánodo. Cuando se produce la descarga de la batería, estos iones de litio se liberan del ánodo y son absorbidos por el cátodo después de viajar a través de un electrolito.

Cuando se carga una batería de iones de litio, se produce un proceso de oxidación en el cátodo. Aquí, el cátodo pierde sus electrones. Para mantener el equilibrio de carga entre los dos electrodos, el cátodo también disuelve el mismo número de iones positivos en el electrolito. Estos iones positivos viajan al ánodo, se unen dentro de su estructura y se integran con el ión de litio.

Cuando la batería se descarga, el ion de litio se desvincula del material del ánodo. Migra al cátodo a través del electrolito. Esta migración vuelve a liberar electrones que atraviesan un ancho, proporcionando así corriente eléctrica.

El material químico utilizado para el electrolito es una solución que contiene disolventes como carbonato de dietilo o carbonato de dimetilo. También se añaden sales de litio a la mezcla. Este electrolito juega un papel en el mantenimiento y la mejora del rendimiento de la batería. Dado que el electrolito tiene sales de litio, significa que contiene iones de litio. Por lo tanto, los iones de litio simplemente tienen que disolverse en la solución en lugar de hacer todo el viaje desde el cátodo al ánodo y viceversa.

El material utilizado para el ánodo es grafito. Dado que el elemento se daña con la inserción y descarga repetidas de iones de litio, los investigadores están tratando de evaluar la viabilidad de usar opciones como el grafema. Por otro lado, el material químico del cátodo es una combinación de metal, oxígeno y litio.

Diferentes asociaciones de elementos químicos para diferentes aplicaciones de baterías de iones de litio.

Una batería de iones de litio es un término genérico. Hay varios tipos de baterías de iones de litio disponibles. La diferencia radica en los elementos químicos que componen la célula. La asociación variable de elementos químicos hace que la batería se utilice para una variedad de aplicaciones. Estas son algunas de las asociaciones de elementos químicos más populares.

Óxido de litio y cobalto (LiCoO2)

Esta asociación química se usa mejor para crear baterías para cargar teléfonos, cámaras y computadoras portátiles. Aquí, el ánodo está hecho de carbono de grafito, mientras que el cátodo está hecho de óxido de cobalto. El defecto de esta batería es su baja vida útil y su estabilidad térmica.

Óxido de litio y manganeso (LiMn2O4)

El uso de óxido de litio y manganeso como batería se comercializó por primera vez en 1996. Aquí, el óxido de litio y manganeso se usa como cátodo. Su formación de espinela tridimensional ayuda a impulsar el flujo de iones al electrodo. Esto ayuda a reducir la resistencia interna y a aumentar la cantidad de corriente que fluye a través del sistema. En comparación con otras baterías de iones de litio, esta asociación de elementos químicos presenta una mayor estabilidad térmica. Sin embargo, la vida también es limitada.

Óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (LiNiMnCoO2)

La asociación de elementos químicos más popular y exitosa es la combinación de óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto. El cátodo presenta una combinación de NMC (níquel-manganeso-cobalto). Estas baterías tienen una alta densidad de energía y, por lo tanto, pueden ayudar a funcionar como células de energía. Esta combinación se utiliza mejor para impulsar bicicletas eléctricas, trenes de potencia y herramientas. El cátodo utiliza 1/3 de manganeso, níquel y cobalto, respectivamente.

Fosfato de litio y hierro (LiFePO4)

En 1996, los investigadores descubrieron que el fosfato también se puede utilizar como cátodo para baterías de iones de litio. Esta combinación ofrece baja resistencia y mejor rendimiento. También presenta un ciclo de vida prolongado, mejor tolerancia y alta estabilidad térmica.

Tecnología química de la batería de iones de litio 2019

Uno de los últimos avances tecnológicos en los que están trabajando los investigadores para la química de las baterías de iones de litio son los electrolitos y electrodos de estado sólido. Actualmente, todas las tecnologías de iones de litio utilizan electrolitos líquidos. Esto provoca mucha resistencia. Además, también significa que se requieren membranas caras para mantener separados el ánodo y el cátodo. Sin mencionar que la carcasa impermeable utilizada para evitar fugas tampoco es barata. Hasta ahora, esto ha obstaculizado gravemente la libertad de diseño y tamaño de las baterías de iones de litio.

El movimiento gradual hacia los electrolitos de estado sólido tiene el poder de resolver estos problemas. Esto beneficiará especialmente al mercado de los wearables, los coches eléctricos y los drones. En 2011, el Instituto de Tecnología de Tokio y Toyota descubrieron un electrolito sólido a base de sulfuro que presenta la misma conductividad que un electrolito líquido. Para 2016, pudieron duplicar la conductividad. Esto ha llevado a un mayor interés en un electrolito de estado sólido en un esfuerzo por mejorar aún más el rendimiento de la batería de iones de litio.

En las baterías de estado sólido, todos los elementos químicos, ya sean los electrolitos o los electrodos, serán de estado sólido. El electrolito debido a su formación funcionará como separador, eliminando la necesidad de una carcasa y una membrana. Por tanto, la batería será flexible, más fina y de alta densidad energética. Su durabilidad también mejorará debido a la eliminación del electrolito líquido.

El desarrollo de baterías de estado sólido es la nueva tecnología en la que los investigadores trabajarán en 2019. Esta estrategia de baterías está preparada para cambiar todo lo que sabemos sobre el mercado de baterías.

Conclusión

Las baterías de iones de litio llegaron para quedarse. Son una mejora considerable con respecto a las baterías de NiCad convencionales. Con la innovación constante en ellos, podemos esperar que sean mejores en términos de rendimiento y durabilidad, con cada año que pasa. Solo el tiempo dirá cuánto mejoran.