Mecanismos de degradación de la batería de iones de litio: magia científica

Las baterías de iones de litio se caracterizan por una mayor densidad de energía gravimétrica y volumétrica y son una de las tecnologías de almacenamiento de energía más conocidas y en constante evolución. También son bien conocidos, especialmente por sus aplicaciones móviles. Sin embargo, la vida limitada de las baterías de iones de litio evita su uso prolongado en aplicaciones que requieren almacenamiento fijo de energía. Para permitir una penetración más amplia en el mercado de las baterías de iones de litio, es necesario un conocimiento detallado de los mecanismos de degradación. Una batería de iones de litio típica consta de material activo, un aglutinante, un separador, un colector de corriente y un electrolito. Y la interacción que se encuentra entre estos componentes juega un papel crucial en el correcto funcionamiento de las baterías. La degradación de las baterías de iones de litio puede tener un origen químico y mecánico y se puede sentir por una pérdida de capacidad, degradación del rendimiento o ambos.

Los modelos predictivos para la esperanza de vida de las baterías de iones de litio deben tener en cuenta una variedad de modos de degradación electroquímica, mecánica y térmica que ocurren con las baterías en sus entornos de aplicación. Las baterías de iones de litio también pueden tener diferentes trayectorias de degradación según el almacenamiento y el historial cíclico del entorno de uso. Las tasas de degradación están controladas por factores como el historial de temperatura, la ventana de operación electroquímica y la tasa de carga o descarga.

Definición de los mecanismos de degradación de las baterías de iones de litio

Los mecanismos de degradación mecánica se pueden describir como los cambios de volumen y las tensiones que se generan por la intercalación repetida de iones de Li en un material activo, pero los mecanismos de degradación química, por otro lado, están asociados con las reacciones secundarias parasitarias como la formación de sólidos electrolíticos. interfase, descomposición o reducción de electrolitos y disolución del material activo.

La mayoría de los problemas de la batería son principalmente un problema químico. En una batería normal o saludable, el flujo de iones es constante entre el cátodo y el ánodo. La carga de la batería fuerza los iones de los iones del cátodo hacia el ánodo, sin embargo, este flujo se invierte cuando se utiliza la batería.

A medida que pasa el tiempo, el proceso desgasta el cátodo, lo que resulta en una reducción de su capacidad. Es probable que una batería de polímero de litio de alta gama pierda aproximadamente el 20% de su capacidad después de aproximadamente 1000 ciclos de carga. También puedes imaginar esto de otra manera; por cada vez que carga su batería de iones de litio, reduce unos segundos su vida útil. Esta degradación también puede acelerarse si hay cargas erráticas y calor en la batería.

Estado de salud de la batería de iones de litio

La evaluación del estado de salud (SOH) de las baterías de iones de litio es uno de los principales desafíos que se enfrentan en el camino hacia la construcción de un sistema de batería eficiente que presume de un rendimiento óptimo.

El SOH es una "medida" que refleja el estado general de una batería y la capacidad de la batería para entregar la potencia o el rendimiento indicados en relación con una batería nueva. Factores como aceptación de carga, voltaje y autodescarga, resistencia interna, etc. se toman en cuenta al considerar el SOH. Esta es una medida de la capacidad a largo plazo de la batería y es solo una "sugerencia", no una medida absoluta de la cantidad de energía de por vida inicialmente en la batería y la cantidad restante. Si usáramos la analogía del automóvil, el SOH de una batería de iones de litio se puede comparar con una función de pantalla de "odómetro", que se usa para indicar el kilometraje y la distancia que el vehículo ha recorrido o recorrido desde que era nuevo.

Durante la vida útil de una batería de iones de litio, el rendimiento o el "estado de salud" de la batería se deteriora progresivamente debido a cambios químicos y físicos irreversibles que ocurren con el tiempo con el uso hasta que la batería ya no se puede usar.

El estado de salud de una batería de iones de litio es un indicador de la etapa o punto alcanzado en el ciclo de vida de la batería, por lo que da una idea de lo que queda, o de lo que se espera.

A diferencia del estado de carga (SOC), que puede determinarse simplemente midiendo la carga real de la batería, es posible que no exista una definición absoluta del SOH de una batería. Esta es una medida subjetiva porque diferentes personas obtienen su SOH de una variedad de parámetros de rendimiento de la batería y pueden interpretarlo de acuerdo con sus propias reglas. Es más una estimación que una medida real. Esto puede ser correcto siempre y cuando la estimación se realice sobre la base de un conjunto de reglas que sea coherente y medible. Sin embargo, la comparación de estimaciones realizadas con varios equipos y métodos de prueba puede no ser confiable.

En consecuencia, no se sabe que los fabricantes de baterías proporcionen SOH porque las baterías que proporcionan son nuevas. SOH no se aplica a las baterías hasta que hayan comenzado a envejecer o después de que se hayan puesto en uso. Por lo tanto, las definiciones de SOH las especifica el fabricante del equipo de prueba o el usuario.

Las soluciones científicas para la degradación de las baterías de iones de litio

El problema del envejecimiento de la batería es bastante sensible a todos los aspectos de un sistema de paquete de baterías. Si se mira desde el punto de vista de un fabricante de celdas, la mejora y el desarrollo en el compuesto del cátodo podría mejorar el rendimiento de la batería y el tiempo de ciclo, pero esto podría compensarse con los ánodos del compuesto de silicio de mayor densidad de energía que introducen un elemento mayor de degradación mecánica. Se están desarrollando ciertos procesos químicos alternativos con una vida útil mucho más larga, aunque actualmente esto se produce a expensas de la densidad de energía.

El diseño de la batería está mejorando e incluye el conocimiento de la gestión térmica óptima de las celdas, lo que seguramente tendrá un efecto significativo en la vida útil de las baterías. Sin embargo, el mayor desafío podría ser el sistema de gestión de la batería, ya que debe proporcionar la potencia y el rendimiento necesarios para garantizar la máxima duración posible de la batería para una celda en particular. Sin embargo, se ha avanzado mucho en ese sentido, y también con perfiles de carga definidos por el usuario, en otros para evitar el litio plateado, compensación de temperatura en las estrategias de operación y un tiempo de carga inteligente para reducir el estado de carga.

Sin embargo, actualmente no se ha encontrado ninguna solución que garantice una duración aceptable de la batería en todas las condiciones. Solo se puede lograr mediante una combinación de mejoras adicionales en los diseños de las celdas, la mejora del paquete de baterías y la optimización del uso de la batería, así como la comprensión de los mecanismos básicos de envejecimiento de las químicas de las celdas que están surgiendo.