Hable sobre la comparación de la química de las baterías de litio

El cambio climático, las limitaciones de los combustibles fósiles y el uso exponencial de tecnologías nómadas están provocando un cambio de paradigma en la transformación y almacenamiento de energía por parte de la civilización humana. Debido a su mayor densidad de energía y su larga vida útil, las baterías de iones de litio juegan un papel muy importante en esta transformación.

Las propiedades prácticas de las baterías de iones de litio, es decir, su densidad de energía, tiempo de carga, duración y seguridad, dependen de la mesoestructura de los electrodos positivo y negativo (hablando de sus escalas de 0,10 a 50 μm). El electrodo positivo se caracteriza por el posicionamiento espacial de las partículas de material activo (MA), agregados de aditivos de carbono y los aglutinantes que forman el electrodo compuesto, y está fuertemente determinado por los parámetros del proceso de fabricación. Un modelo matemático de última generación juega un papel muy importante en la comprensión de los principios funcionales de los electrodos compuestos. Varios de los modelos LIB informados anteriormente han intentado rastrear la influencia de la mesoestructura del electrodo en las respuestas celulares utilizando 1D, P2D o incluso los enfoques 3D para varios productos químicos de materiales activos como grafito, LiNixMnyCozO2, LiFePO4, LiCoO2.

Aunque los modelos de rendimiento se han aplicado con éxito en varios estudios, que incluyen el diseño de celdas, debe tenerse en cuenta que la falta de conocimiento preciso de los parámetros del modelo puede resultar en una reducción significativa en la capacidad de predecir el rendimiento. Las simulaciones microscópicas y las mediciones experimentales han demostrado que una difusividad y conductividad efectivas de los electrodos pueden diferir considerablemente de sus aproximaciones homogeneizadas, lo que enfatiza la necesidad de utilizar algunos modelos de mayor fidelidad para superar esta discrepancia. Asimismo, se ha descubierto que la velocidad de reacción electroquímica en la interfaz material activo-electrolito varía significativamente con la mesoestructura local.

¿Cómo afecta el rendimiento químico a la seguridad de la batería de iones de litio?

En primer lugar, es importante ver los datos sobre rendimiento, sostenibilidad y envejecimiento.

Las baterías de iones de litio ofrecen ventajas particulares sobre las baterías convencionales, pero tienen algunas deficiencias. La potencia de los vehículos eléctricos requiere una alta densidad energética y una capacidad de potencia temporal. Sin embargo, las baterías deben poder recargarse rápidamente.

Datos de rendimiento

· Hay un alto voltaje de celda de aproximadamente 3,0 a 4,2 V, la energía específica de aproximadamente 90-240 Wh kg - 1, 200-500 Wh L-1 a nivel de celda y una potencia específica de hasta 500 W kg - 1

· Una alta velocidad de descarga (40C); una velocidad de carga rápida (<3 h); y poder útil; 80% DoD

· Más de mil ciclos; Aproximadamente el 100% de eficiencia culómbica, es posible un ciclo profundo;

· Una tasa de autodescarga baja de alrededor del 5-10% por mes a 20 ° C

· Un efecto sin memoria; tolera microciclos y no requiere reacondicionamiento.

El uso de la batería de iones de litio (LIB) se ha generalizado porque su densidad de energía ha mejorado y el costo ha disminuido drásticamente. En los últimos años, en particular, la aplicación de la tecnología LIB a vehículos eléctricos y dispositivos de almacenamiento de energía ha sido objeto de especial atención. Sin embargo, los problemas de seguridad de LIB se consideran uno de los principales obstáculos para ampliar estas áreas de aplicación.

El rendimiento de seguridad de LIB está determinado principalmente por la estabilidad térmica de los materiales de la batería de iones de litio. Las pruebas de seguridad, sobrecargas, cajas calientes, clavos, aplastamientos y cortocircuitos internos generalmente se consideran críticos.

¿Cómo afecta el rendimiento químico a la seguridad de las baterías de iones de litio?

Cuando Sony presentó la primera batería de iones de litio en 1991, se conocían los posibles riesgos de seguridad. Una referencia a la batería de metal de litio recargable lanzada anteriormente fue un triste recordatorio de la disciplina que se debe aplicar cuando se usa este sistema de batería de alta energía.

Debido a la inestabilidad inherente del litio metálico, la investigación se ha centrado en las baterías de iones de litio no metálicos. Aunque el sistema de iones de litio tiene una densidad de energía ligeramente menor, el sistema es seguro y, sin embargo, es prudente tomar ciertas precauciones durante los tiempos de carga y descarga.

Hoy en día, en el mundo de las baterías, el ion de litio es uno de los productos químicos más eficaces y seguros para las baterías. Se producen alrededor de dos mil millones de células cada año.

Hay dos tipos principales de productos químicos utilizados para las células de iones de litio, estos son el cobalto y el manganeso (espinela). Los teléfonos móviles, portátiles, cámaras digitales, etc. utilizan iones de cobalto-litio para maximizar la duración de la batería. Pero el manganeso es el último de los dos productos químicos y proporciona una estabilidad térmica superior. Puede soportar temperaturas de hasta 250 ° C antes de que se vuelva inestable. Además, el manganeso tiene una baja resistencia interna y también puede proporcionar alta potencia cuando sea necesario. Estas baterías se utilizan cada vez más para herramientas eléctricas y dispositivos médicos.

El principal inconveniente de la espinela es su menor densidad energética. Como regla general, una celda de cátodo de manganeso puro proporciona aproximadamente la mitad de la capacidad de cobalto. Los usuarios de teléfonos móviles y computadoras portátiles estarían disgustados de que las baterías de sus dispositivos se descarguen aproximadamente la mitad del tiempo de su uso previsto. Para encontrar un compromiso viable entre el tema de la alta densidad de energía, la confiabilidad y la buena entrega de energía, los fabricantes de baterías de iones de litio pueden mezclar los metales para obtener un mejor resultado. Los materiales del cátodo utilizados son manganeso, fosfato de hierro, cobalto y níquel.

Cómo diseñar una solución de batería de iones de litio

En nuestro mundo actual, un mundo de dispositivos electrónicos portátiles, casi nadie puede prescindir de la necesidad de utilizar una batería de iones de litio. Debido a que estas baterías alimentan teléfonos móviles, sus relojes inteligentes, nuestras tabletas, computadoras portátiles e incluso alimentan nuestros medios de transporte como automóviles, bicicletas y aviones, etc., las baterías se vuelven casi indispensables. Desafortunadamente, estas baterías deben ser desarrolladas por profesionales y en una fábrica, debido al peligro que implica la mezcla y combinación de productos químicos. La producción de celdas de iones de litio puede ser peligrosa y puede no ser segura si hay un error en el proceso de fabricación, el diseño mecánico de la batería y el aspecto eléctrico del producto.

En conclusión, el litio es un producto químico bastante volátil y plantea muchos problemas de seguridad en comparación con otros productos químicos para baterías, pero su alta densidad energética, su larga vida útil y su funcionamiento sin mantenimiento lo colocan en una posición muy atractiva para los consumidores y fabricantes de productos electrónicos. Pero luego, estos problemas de seguridad se pueden resolver seleccionando las celdas de batería de litio adecuadas y un diseño eléctrico y mecánico adecuado para una gestión adecuada de las celdas.