Densidad energética de las baterías de iones de litio

En general, la industria de las baterías siempre busca grandes avances en la densidad de energía.

Esto ha llevado a un equipo de Estados Unidos a pensar que pueden ofrecer diez veces el rendimiento activo de las baterías de iones de litio actuales utilizando una tecnología basada en flúor.

La disminución del peso atómico del flúor básicamente significa que las baterías recargables que se basan en gran medida en el elemento pueden proporcionar densidades de energía muy altas que pueden ser aproximadamente diez veces más potentes que los valores teóricos habituales para la tecnología de iones de litio.

Mientras tanto, se considera que los fluoruros son un poderoso competidor para la próxima generación de dispositivos de alta densidad para el almacenamiento de energía. Sin embargo, están limitados por las demandas de temperatura.

Las robustas baterías conductoras de iones de fluoruro funcionan a temperaturas superiores a 150 ° C para que el electrolito se conduzca correctamente. Esta es una dificultad notable para la celda normal.

Además, todas las baterías de estado sólido que están fusionando principalmente el ánodo metálico de litio tienen la perspectiva de abordar los problemas de densidad de energía de las baterías de litio convencionales.

Hasta el momento, su utilización en celdas prácticas ha sido finita debido a la resistencia a la transferencia de iones de litio que se produce principalmente como resultado de la inestabilidad del electrolito resistente frente a los metales del litio.

Además, el último electrolito resistente que revela una conductividad iónica muy alta y también un alto equilibrio con los metales de litio también puede ser un avance genuino para cada batería de estado sólido que utiliza un ánodo de metal de litio.

Se espera que este avance no solo inspire los esfuerzos futuros para descubrir conductores superiónicos de litio que se basan en hidruros difíciles, sino que prácticamente abre una nueva tendencia en el campo de los materiales electrolíticos sólidos que también pueden resultar en el desarrollo de altos niveles de energía. dispositivos electroquímicos de densidad de energía.

Todas las baterías que tienen un estado sólido son en realidad candidatos potencialmente prometedores para resolver el inconveniente actual de las últimas baterías de litio. Los problemas a resolver incluyen:

· Inflamabilidad

· Densidad de energía finita

· Fugas de electrolitos, etc.

Definición de densidad de energía

En general, la densidad de energía es el volumen de energía que realmente se puede mantener en una masa particular de un sistema o incluso de una sustancia. Tenga en cuenta que cuanto mayor es la densidad de energía si se marchita un material o un sistema, mayor es el volumen de energía que se mantiene en su masa.

Básicamente, la energía se puede almacenar en diversos tipos de sistemas y sustancias. No obstante, un material puede liberar energía en cuatro tipos diferentes de reacciones. Las reacciones son:

· Químico

· Electroquímico

· Nuclear y;

· Eléctrico

Al calcular el volumen de energía disponible en un sistema, solo se mide la energía vitalmente útil o mejor aún extraíble. En todas las ecuaciones científicas, la densidad de energía se denota por U.

La densidad de energía se expresa generalmente de dos formas, aunque la primera es la más popular y común. Ellos son:

· Densidad energética volumétrica

Esto se refiere a la cantidad de energía contenida en un sistema en comparación con su cantidad. Normalmente se expresa en Wh / L, es decir, vatios-hora por litro. También se puede expresar en megajulios.

· Densidad de energía gravimétrica

Esto se refiere a la cantidad de energía contenida en un sistema en comparación con su masa total. Normalmente se expresa en vatios-hora por kilogramo, es decir, Wh / kg o en megajulios.

Sin embargo, tener una densidad muy alta en realidad no proporciona información sobre la rapidez con la que se puede utilizar esta energía. En cambio, el conocimiento está contenido en la densidad de potencia de una sustancia, y esto describe la velocidad a la que la energía se puede emitir rápidamente.

Además, tener una densidad alta se acompaña principalmente de una densidad de potencia baja.

Comparación de la densidad de energía en celdas de batería

Algunas de las comparaciones más conocidas de densidad de energía disponibles en celdas de batería incluyen:

· Níquel cadmio (NiCD)

Las baterías maduran activamente y se entienden bien, aunque son comparativamente bajas en su densidad de energía. El NiCD se usa en casos en los que son vitales una larga vida útil, un costo económico y una alta tasa de descarga.

Sus principales aplicaciones son equipos biomédicos, radios bidireccionales, cámaras de video expertas y también herramientas eléctricas. Sin embargo, contienen metales tóxicos y no son fáciles de usar para el medio ambiente.

· Hidruro metálico de níquel (NiMH)

Esta batería tiene una mayor densidad de energía en comparación con NiCD, incluso a expensas de una menor vida útil. NiMH no tiene metales tóxicos. Sus aplicaciones incluyen computadoras portátiles y teléfonos móviles.

· Plomo-ácido

Estos son los más económicos en los casos de aplicaciones de mayor potencia en las que el peso es una preocupación menor. Son la opción preferida para sillas de ruedas, iluminación de emergencia, sistema UPS y equipo hospitalario.

· Ion de litio

Son los sistemas de baterías de crecimiento más rápido disponibles en el mercado. Las baterías de litio se utilizan en los casos en que la densidad de energía alta y el peso ligero son de vital importancia. Aunque su tecnología es frágil, se necesita un circuito de protección para garantizar la seguridad. La mayoría de sus aplicaciones se encuentran en teléfonos móviles y ordenadores portátiles.

Densidad de energía máxima teórica de la batería

La densidad de energía necesaria para que las baterías recargables alimenten incluso un vehículo eléctrico con un alcance de trescientas millas con una carga distinta es de aproximadamente 600 Wh / kg. Pero las baterías de litio no pueden satisfacer esta necesidad por ahora.

Técnicamente, no existe un límite conocido para la cantidad de energía que se puede almacenar en una cantidad limitada de espacio. No obstante, los científicos de baterías tienen una métrica que se conoce como energía específica teórica máxima.

Actualmente, las baterías con mayor densidad energética que puede comprar en el mercado son las baterías de iones de litio. Están prácticamente en el rango de 100-200 Wh / kg.

Para envolverlo

Básicamente, se cree que el metal de litio es el material de ánodo significativo para cada batería de estado sólido debido a su alta capacidad teórica de aproximadamente 3860 mAh g-1 y su perspectiva más baja de aproximadamente -3,04 V en comparación con el electrodo de hidrógeno estándar.

No obstante, los electrolitos resistentes conductores de iones de litio son una característica importante de todas las baterías de estado sólido como resultado de la conductividad iónica y el equilibrio del electrolito resistente que determina el rendimiento de estas baterías.