¿Conoce la electroquímica de la batería de iones de litio?

El almacenamiento de energía se considera una de las tecnologías clave para la realización exitosa de energías renovables, así como la electrificación de diversos sectores e industrias. Nuestra publicación de hoy destacará mucho sobre la electroquímica de las baterías de iones de litio, para que pueda conocer más sobre estas baterías y su química.

Las baterías son herramientas esenciales de almacenamiento de energía para usos fijos y móviles. Se utilizan principalmente para dispositivos pequeños o portátiles. También se utilizan cuando las conexiones eléctricas no son prácticas ni posibles.

Introducción de la electroquímica de la batería de iones de litio.

Las aplicaciones de las baterías van desde dispositivos más pequeños como reproductores de MP3 hasta teléfonos inteligentes y luego hasta sistemas de alto rendimiento como los automóviles o los sistemas de almacenamiento de energía utilizados en las centrales eléctricas, por ejemplo, las turbinas.

Configuración o instalación

La construcción típica de una batería se compone de dos electrodos de carga opuesta separados por un electrolito. Y se clasifican en células primarias o secundarias, según el sistema químico que rodea su funcionamiento.

Células primarias

Las baterías de celda primaria son aquellas que no se pueden cargar ni recargar. Están completamente precargados y se pueden usar inmediatamente después de la compra. Aportan altas energías específicas así como largos tiempos de almacenamiento.

Sin embargo, estas células primarias solo cubren actualmente un nicho de mercado. Por lo general, se utilizan cuando es imposible utilizar baterías recargables o en situaciones en las que no es posible cargarlas. Por ejemplo, este es el caso de los relojes de pulsera, juguetes o incluso marcapasos. También hay otras aplicaciones, como en el ejército, donde las células primarias se utilizan en misiles.

Las celdas de las baterías primarias son principalmente de manganeso alcalino, baterías de litio o zinc-carbono.

Células secundarias

A diferencia de las celdas primarias, las baterías de las celdas secundarias se pueden cargar y recargar más de cien veces. El valor de mercado de estos tipos de baterías aumenta constantemente.

Las baterías más antiguas que han sido recargables son las baterías de plomo-ácido. Todavía se utilizan como baterías de arranque en automóviles o para sistemas de respaldo. También hay otros ejemplos de baterías de celda secundaria, como el níquel-hidruro metálico (NiMH), el níquel-cadmio (NiCd) y, por supuesto, las baterías de iones de litio. Este último es actualmente el foco de nuestra discusión porque es la batería más preferida por los grandes jugadores en el mercado automotriz y de dispositivos.

Carga y descarga

En las baterías recargables de iones de litio, los portadores de carga son los iones de litio. Estos iones de litio se pueden encontrar en la batería, en tres lugares: están en la red cristalina de LiCoO2 en el cátodo,? Las sales de litio en los electrolitos y en el ánodo, donde el litio no es estable pero actúa como un "huésped" entre las capas de grafito y carbono. Cuando estas baterías están completamente cargadas, sus ánodos se llenan al máximo con litio, con un átomo de litio fijado en seis átomos de carbono.

Durante el uso o descarga de la batería, los iones de litio cargados positivamente dentro de la batería se mueven desde el electrodo o ánodo cargado positivamente a través del electrolito intermedio hasta el cátodo o electrodo cargado negativamente. El óxido de litio y cobalto (designado como LiCoO2) es el material de cátodo predominante en las baterías de iones de litio de cualquier dispositivo, pero se asemeja a un fosfato de hierro y litio (designado químicamente como LiFePO4), tiene una densidad de energía más baja pero es más estable químicamente. Para cerrar este circuito, los electrones que están cargados negativamente salen de la batería, a través del ánodo al cátodo, suministrando energía al dispositivo conectado. Esto se invierte durante la carga, forzado por fuerzas externas de la fuente externa de energía, los iones de litio fluyen a través de una ruta inversa en la batería y regresan al ánodo desde el cátodo. En consecuencia, las reacciones electroquímicas en baterías recargables son reversibles.

Caracterización electroquímica de la batería de iones de litio.

Las baterías de iones de litio se han mostrado prometedoras. Se ha propuesto su uso en vehículos eléctricos (EV) o vehículos híbridos eléctricos (HEV). Actualmente, el grafito se usa ampliamente como material de ánodo para las baterías comerciales de iones de litio, especialmente las que se usan en teléfonos celulares, cámaras y computadoras portátiles. Pero entonces, el rendimiento de las celdas no ha sido tan completamente satisfactorio como se esperaba en sus aplicaciones para sistemas de energía que requieren descargas frecuentes de alta velocidad o tasas de carga, como en vehículos eléctricos o híbridos.

Debido al bajo voltaje de entrelazado de litio de aproximadamente 0,1 V (en relación con Li / Li +), los metales de litio se depositan fácilmente en la superficie de los ánodos de grafito y forman litio dendrítico, especialmente durante una carga rápida, y esto puede causar problemas de seguridad. Se ha prestado mucha atención al Spinel Li4Ti5O12 y se lo ha considerado un ánodo alternativo frente a los grafitos en las baterías de iones de litio debido a su excelente estructura de voltaje cero, reversibilidad y alta movilidad de iones de litio en el campo de celosía Li4Ti5O12. En particular, el material tiene un alto voltaje de inserción de Li que opera a 1,55 V (en relación con Li / Li +), y esto podría dañar la formación de litio dendrítico. Pero entonces, la baja conductividad electrónica de Li4Ti5O12 es el principal obstáculo que limita la tasa de rendimiento del material.

Para que el rendimiento electroquímico de Li4Ti5O12 y la conductividad electrónica mejoren, hay mucho trabajo por hacer en otros para que se resuelva el problema. Una de las estrategias comunes es reducir el tamaño de las partículas y recubrir el material conductor en la superficie de Li4Ti5O12 o dopar los otros iones metálicos. La reducción del tamaño de las partículas también puede reducir la distancia de difusión de los iones de litio y mejorar tanto la capacidad del electrodo de conservación de Li como su cinética; por lo tanto, es posible mejorar la capacidad de velocidad así como el rendimiento electroquímico del material del electrodo. Algunos iones metálicos como el V5 +, Mg2 +, Ca3 +, Ta5 + y Ni3 +, se han utilizado en el dopaje para reemplazar una pequeña cantidad de Li + o Ti4 + en otros para mejorar la conductividad electrónica y la capacidad de velocidad. El recubrimiento de materiales conductores en las superficies de las baterías de iones de litio puede mejorar la conductividad de la superficie y también reducir la resistencia al contacto. Se ha informado que los materiales conductores como el negro de humo, el grafeno, los nanotubos de carbono, Sn, Ag y Cu se utilizan para modificar la conductividad eléctrica de Li4Ti5O12.

Estructura electroquímica de la batería de iones de litio.

Los estudios de la estructura electroquímica de las baterías de iones de litio han demostrado que una mejor comprensión de las cuestiones y problemas científicos puede ser beneficioso en el diseño y construcción de un cátodo de voltaje más alto que interactúe con una caída óhmica baja. Uno de los principales índices para evaluar el rendimiento de las baterías de iones de litio (LIB) es el OCV, y su mejora muestra resultados prometedores en el aumento de la densidad de energía. Además, la importante caída de potencial en las interfaces demuestra una alta resistencia y es uno de los principales factores que limita la densidad de potencia.