¿Qué opinas sobre los componentes de la batería de iones de litio?

Introducción

Las baterías de iones de litio se describen como una de las mejores tecnologías de almacenamiento de energía. Estas baterías se han utilizado ampliamente en vehículos eléctricos, dispositivos portátiles, almacenamiento de energía de la red, etc. Desde la comercialización de las baterías de iones de litio en 1991, la densidad de energía de las baterías de iones de litio se ha incrementado de forma agresiva. En la actualidad, hemos experimentado células de última generación que pueden alcanzar niveles de energía muy altos. Se está llevando a cabo una amplia investigación y desarrollo que seguramente mejora la capacidad de fabricar baterías de iones de litio seguras y confiables que se utilizarán en vehículos eléctricos y eléctricos híbridos, así como en celdas solares y molinos de viento. Sin embargo, la seguridad de una batería de iones de litio sigue siendo una preocupación, la duración de la batería aún no es suficiente y los costos son demasiado altos. En este artículo, aprenderá sobre los componentes principales de una batería de iones de litio, sus funciones y cómo se procesan.

Introducción de los principales componentes de la batería de iones de litio

Las baterías de iones de litio constan de cuatro componentes principales; cátodo, ánodo, electrolito y separador. Todos y cada uno de los componentes de una batería de iones de litio son esenciales y la batería no puede funcionar cuando falta uno de los componentes. Estos componentes constituyen la unidad de trabajo más pequeña en una batería que se conoce como celda electroquímica que consta de un cátodo y un ánodo separados y conectados por un electrolito.

Los diseños de celdas y las combinaciones en módulos y paquetes de baterías son muy diferentes. Sin embargo, en este artículo, aprenderá sobre los principales diseños de celdas y luego sobre el procesamiento y fabricación de las celdas.

Los electrodos de las celdas de iones de litio siempre son de materiales sólidos. Puede utilizar electrolitos para distinguir entre tipos de células. El electrolito puede ser líquido, gel o en estado sólido. Por ejemplo, los electrolitos en gel y celdas de estado sólido representan un componente estructural y necesitan separadores adicionales para la separación efectiva de electrolitos y la prevención de cortocircuitos.

Diferentes funciones de los componentes de la batería de iones de litio

Cátodo

El cátodo se puede fabricar con los materiales más avanzados, incluidos los óxidos de metal de litio, óxidos de vanadio, olivinas y óxidos de litio recargables. Los óxidos en capas como el cobalto y el níquel son los materiales más estudiados para las baterías de iones de litio. Están asociados con una alta estabilidad en el rango de alto voltaje. Sin embargo, la disponibilidad de cobalto es de naturaleza muy limitada y es tóxico, lo que inhibe la fabricación en masa. El manganeso es una sustitución de bajo costo con un alto umbral térmico y una excelente capacidad de velocidad, pero ofrece una capacidad de ciclo limitada.

Se utilizan mezclas de cobalto, níquel y manganeso para combinar las mejores propiedades y minimizar los inconvenientes. Algunas baterías de iones de litio tienen óxidos de vanadio que ofrecen una gran capacidad y una cinética excelente, pero debido a la inserción y extracción de litio, el material tiende a volverse amorfo, lo que limita el comportamiento cíclico. Además, hay olivinos que no son tóxicos y ofrecen una capacidad moderada con un bajo desvanecimiento debido al ciclo, pero su conductividad es baja. Se utilizan algunos métodos para recubrir el material para mejorar la conductividad del material, pero esto solo aumenta los costos de procesamiento de la batería.

Para que una batería de iones de litio genere electricidad, debe haber reacciones químicas del litio. Y es por eso que se usa litio en la batería y eso es lo que se llama cátodo. Sin embargo, el litio es inestable y, por lo tanto, se usa en una combinación de litio y oxígeno para formar óxido de litio como cátodo. En el cátodo de una batería de iones de litio, se utiliza óxido de litio como material activo.

En el cátodo, hay una fina lámina de aluminio que se utiliza para sujetar el marco del cátodo recubierto con un compuesto compuesto de material activo, aditivo conductor y aglutinante. El material activo contiene iones de litio, el aditivo conductor se agrega para aumentar la conductividad y el aglutinante se coloca como un adhesivo que permite que el material activo y el material conductor permanezcan en su lugar sobre el sustrato de aluminio.

El cátodo tiene un papel importante en la determinación de las propiedades de la batería, ya que la capacidad y el voltaje de la batería están determinados por el tipo de material activo utilizado para el cátodo. Cuanto mayor sea la cantidad de litio, mayor será la capacidad. Además, cuanto mayor sea la diferencia en términos de potencial entre cátodo y ánodo, mayor será el voltaje.

La mayoría de las veces, la diferencia de potencial es pequeña para el ánodo dependiendo del tipo, pero para un cátodo, la diferencia de potencial es relativamente alta en general y, por lo tanto, el cátodo juega un papel muy importante en la determinación del voltaje de la batería.

Ánodo

El ánodo también está recubierto con un material activo que juega un papel importante al permitir que la corriente eléctrica fluya a través del circuito externo y al mismo tiempo permite la absorción reversible de los iones de litio liberados del cátodo.

Durante un estado de carga de la batería, el ánodo contiene una alta concentración de iones de litio intercalados, mientras que el cátodo está agotado de litio. Durante este tiempo, cuando el cable conductor conecta el ánodo al cátodo, lo que se denomina estado de descarga, los iones de litio fluyen naturalmente desde el ánodo a través del electrolito hasta el cátodo, mientras que su electrón asociado se utiliza para alimentar un dispositivo eléctrico.

El grafito se usa en el ánodo porque tiene una estructura estable. Además, debido a su baja reactividad electroquímica, las condiciones para almacenar muchos iones de litio y el precio, el grafito se considera adecuado para ser utilizado como ánodo.

Electrólito

El electrolito solo permite el movimiento de iones de litio. Los iones de litio se mueven a través del electrolito y los electrones se mueven a través del cable. El electrolito, por lo tanto, juega un papel importante en el uso de electricidad en la batería.

El electrolito sirve como medio que permite el movimiento de solo iones de litio entre el cátodo y el ánodo. Los materiales con alta conductividad iónica se utilizan principalmente para el electrolito para facilitar el movimiento de iones de litio hacia adelante y hacia atrás.

El electrolito se compone de sales, disolventes y aditivos. Las sales permiten el paso de los iones de litio, los disolventes son líquidos orgánicos que disuelven las sales y los aditivos se añaden en pequeñas cantidades para fines específicos.

Este tipo de electrolito solo permite que los iones se muevan a los electrodos y no permite que pasen los electrones. Además, la velocidad del movimiento de los iones de litio depende del tipo de electrón.

Separador

El separador funciona como una barrera física entre el cátodo y el ánodo. Se coloca para evitar el flujo directo de electrones y permite que solo los iones de litio pasen a través del orificio microscópico interno. Por lo tanto, el material del separador debe cumplir con todas las condiciones físicas y electroquímicas.

Los separadores que se utilizan comúnmente en la actualidad son las resinas sintéticas como el polietileno (PE) y el polipropileno (PP).

Los separadores tienen mecanismos de apagado térmico incorporados y sofisticados sistemas de gestión térmica externos adicionales que se agregan a los módulos y paquetes de baterías. A temperaturas elevadas, derrite o cierra sus poros para detener el movimiento de los iones de litio sin perder su estabilidad mecánica.

Procesamiento de componentes de baterías de iones de litio

Durante la descarga, hay un movimiento de iones de litio del ánodo al cátodo. Los procesos de desintercalación de intercalación conducen a cambios de volumen en los materiales de los electrodos activos. Este proceso repetido debido a los ciclos puede causar grietas y puede conducir a una eventual fractura que resulte en un material de electrodo activo inutilizable debido a la desconexión del colector de electrodos o un cortocircuito.

Los esfuerzos en el procesamiento y fabricación de material para mejorar el rendimiento y gestionar los cambios inevitables en el volumen han estado conduciendo hacia materiales compuestos con partículas micro y nanoescaladas. Las nanopartículas pueden manejar cambios de volumen con un riesgo muy bajo de iniciación de grietas. Además de eso, sus aglomerados y compuestos a microescala dan como resultado longitudes de trayectoria de difusión mínimas a través de los electrodos de difusión lenta.

Para las celdas cilíndricas, los electrolitos se forman a partir de pastas de polvos de materia activa, aglutinantes, disolventes y aditivos que se esparcen sobre las láminas colectoras de corriente, como aluminio para el lado del cátodo y cobre para el lado del ánodo. El calendario para obtener un espesor homogéneo y el lado de las partículas va seguido de un corte al ancho correcto. A continuación, los componentes se apilan en el cátodo separador-ánodo-separador seguido de enrollado en celdas cilíndricas, inserción en cajas cilíndricas y soldadura de una lengüeta conductora. Luego, las celdas se llenan con un electrolito que tiene que mojar el separador, así como empapar y mojar los electrodos. A continuación, se colocan y conectan todos los demás aislantes, sellos y dispositivos de seguridad esenciales.

Una vez hecho todo esto, las celdas se cargan por primera vez utilizando protocolos sofisticados para mejorar el rendimiento, el comportamiento cíclico y la duración de la batería, y luego se prueban.

Conclusión

Acaba de descubrir los componentes principales de una batería de iones de litio y sus diferentes funciones. Las químicas de las celdas de iones de litio ofrecen algunas de las mejores alternativas para el almacenamiento de energía eléctrica para dispositivos y aplicaciones eléctricas. Esto se atribuye a su potencial electroquímico, alta capacidad y densidad energética.