Baterías recargables de iones de litio: materiales, tecnología y nuevas aplicaciones

Los dispositivos electrónicos portátiles se han convertido en parte de nuestro mundo tecnológico moderno. Las baterías recargables de iones de litio se utilizan como fuente de alimentación principalmente en dispositivos portátiles. Profundicemos en lo que hace que las baterías de iones de litio sean tan especiales y cómo las baterías de litio mejorarán aún más en el futuro.

¿Qué materiales hacen la batería de iones de litio?

La batería de litio está formada por baterías más pequeñas llamadas celdas. Cada celda es un pequeño complejo de fabricación de productos químicos compuesto por un electrolito que une los dos electrodos diferentes. Al igual que cualquier otra batería, hay un electrodo positivo y negativo llamado cátodo y ánodo respectivamente.

Materiales de cátodo

El cátodo o electrodo positivo de las baterías de iones de litio está compuesto por materiales de última generación que incluyen óxidos puros de litio-metal. Hay muchas opciones de materiales que se pueden utilizar como óxido de cobalto de litio (LiCoO2), óxido de litio (trioxo) manganeso (LiMn2O4), Li (NixMnyCoz) O2], óxidos de vanadio, olivinas (como LiFePO4) y óxidos de litio recargables. El material de óxidos en capas que contiene níquel y cobalto se utiliza principalmente en el caso de las baterías de iones de litio. Cuanto más uniforme sea la composición, mejor será el rendimiento y mayor será la duración de la batería.

Si bien algunos óxidos metálicos muestran una alta estabilidad hacia el rango de alto voltaje, hay algunos que presentan algunas limitaciones. Por ejemplo, la disponibilidad limitada del cobalto es un problema. Además, el cobalto es un metal tóxico que es el mayor inconveniente de la fabricación en masa. El manganeso es un metal de bajo costo con un alto umbral térmico, sin embargo, muestra un comportamiento cíclico de restricción. Por lo tanto, en lugar de usar metales individualmente, a menudo se usan combinaciones de cobalto, níquel y manganeso para obtener el mejor resultado y minimizar las desventajas asociadas con él.

Cuando se trata de óxidos de vanadio, exhiben una excelente cinética y una gran capacidad. Aunque, debido a la inserción y extracción de litio, es probable que el material de óxido de vanadio se vuelva amorfo. Esto, a su vez, limita el comportamiento de los ciclistas. Ahora, las olivinas tienen el beneficio de no ser tóxicas pero exhiben una capacidad moderada. Además, su conductividad es baja. Se han introducido numerosas técnicas de revestimiento para compensar la mala conductividad; sin embargo, todo viene con costos de procesamiento adicionales a la batería.

Materiales del ánodo

En el otro lado, hay otro electrodo llamado ánodo. Los materiales de los ánodos para las baterías de iones de litio son grafito, materiales de aleación de litio, litio, compuestos intermetálicos o silicio. El litio parece ser el material más simple, pero existen preocupaciones sobre su comportamiento cíclico y el crecimiento dendrítico, que es responsable de crear cortocircuitos. Por esta razón, los ánodos carbonosos son el material anódico más preferido debido a su bajo costo y alta disponibilidad. Sin embargo, una mayor densidad de carga en mAh / g de litio supera estos ánodos carbonosos. Para aumentar la capacidad, los científicos utilizan nanotubos de carbono y nuevas variedades de grafito. Los compuestos intermetálicos y los ánodos de aleación también han mostrado altas capacidades, pero debido a un cambio de volumen considerable, estos compuestos muestran un comportamiento cíclico deficiente. Se pueden utilizar materiales nanocristalinos para superar este cambio de volumen.

Electrolitos

La batería se llena con un medio de transporte, el electrolito, de modo que los iones de litio que transportan la carga de la batería puedan fluir libremente. Este electrolito debe ser puro y estar libre de agua para garantizar una carga y descarga eficientes para evitar un cortocircuito. Se pueden usar muchos tipos de electrolitos, denominados electrolitos líquidos, polímeros y de estado sólido. Principalmente, se prefieren los electrolitos a base de solvente que contienen una sal de litio en un solvente orgánico como bis (oxalato) borato (LiBC4O8) (LiBOB), hexafluorofosfato de litio (LiPF?), Fluoroalquilfosfato de litio Li [PF3 (C2F5) 3], o similar. Sin embargo, el uso de solventes orgánicos presenta un riesgo ambiental, junto con la preocupación por la inflamabilidad, los electrolitos de polímeros sólidos son una gran alternativa para mejorar el desempeño de seguridad de las baterías.

Por lo tanto, debe existir una combinación adecuada de materiales de electrodos negativos y positivos y materiales de electrolitos para producir una batería de iones de litio de alta capacidad rentable.

2019 Nueva aplicación de batería de iones de litio

Las baterías de iones de litio tienen un amplio espectro de aplicaciones. Desde que se lanzaron estas baterías por primera vez, se han realizado innumerables investigaciones y numerosas mejoras para aumentar el rendimiento de estas baterías. Al ser parte de nuestra sociedad moderna cotidiana, el ion de litio es una tecnología dominante. Mire sus dispositivos electrónicos portátiles: teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y tabletas, automóviles híbridos y completamente eléctricos, todo es de iones de litio. Dado que la sociedad se está acercando hacia productos con menor emisión de carbono y energía eficiente, la tecnología de iones de litio se prefiere en el sector automotriz. Estas baterías tienen potencial para almacenar energía eólica y solar. Se prevé un gran futuro en el coche eléctrico moderno para reducir las emisiones de dióxido de carbono. Mientras tanto, los expertos también han considerado formas de reciclar el litio de las baterías usadas. Según una nueva investigación, para 2050, las baterías de iones de litio serán la tecnología asequible para reservar electricidad para la mayoría de las aplicaciones. Una de esas aplicaciones es asegurarse de que las redes de energía no experimenten grandes fluctuaciones y permitir que los clientes administren sus facturas. Estas aplicaciones son cruciales en un mundo en el que dependemos en gran medida de fuentes de energía intermitentes como la energía eólica y solar. Hay un aumento notable en el uso de baterías de iones de litio para las siguientes aplicaciones nuevas:

● Herramientas eléctricas

● Cargador portátil

● Equipo de comunicaciones

● dispositivos portátiles

● Drones

Tendencia de demanda de baterías de iones de litio en 2019

Las baterías de iones de litio se han utilizado durante años. Para 2026, se prevé que el mercado de baterías de iones de litio experimente un crecimiento sólido de 36.20 mil millones de dólares en 2018 a 109.72 mil millones de dólares, a una tasa compuesta anual del 13,4%. El hecho de que las baterías de iones de litio se utilicen cada vez más como vehículo eléctrico de batería completa (BEV) y como fuente de energía híbrida lo convierte en una opción perfecta en la industria automotriz. Además, existe una creciente demanda de baterías de iones de litio en varios sectores de aplicación como el sector electrónico, eólico, militar e industrial.

Estas son algunas de las últimas tendencias exigentes de las baterías de iones de litio.

● Alto níquel de los materiales del cátodo.

● Énfasis en las baterías de estado sólido

● El mercado de equipos de producción de baterías de iones de litio está ganando atención.

● El uso de baterías de iones de litio en vehículos híbridos y eléctricos merece atención.

Conclusión

El mundo tiene una necesidad continua de baterías recargables eficientes. Dado que las baterías de iones de litio son más livianas, de menor tamaño y proporcionan más energía por unidad de volumen, una gran cantidad de automóviles y compañías de baterías están utilizando LIB. Sin embargo, investigadores de todo el mundo han estado luchando por desarrollar una tecnología de vanguardia mejor que las baterías de iones de litio. A medida que el mundo avanza hacia un futuro eléctrico, el próximo gran avance en la tecnología de baterías recargables podría estar a la vuelta de la esquina.