Materiales de ánodo y cátodo de batería de iones de litio

En cualquier batería, hay dos electrodos que son responsables de la reacción química que proporciona energía. El electrodo que se encarga de liberar electrones durante la descarga de la batería se llama cátodo. El electrodo que se encarga de absorber esos electrones que se han liberado durante la descarga se llama ánodo. En una batería, el cátodo es -siempre- el electrodo negativo, mientras que el ánodo es -siempre- el electrodo positivo.

El ánodo y el cátodo de la batería de iones de litio son los lugares donde se almacenan los iones de litio. El electrolito dentro de la batería transporta los iones de litio cargados positivamente desde el cátodo al ánodo y viceversa durante los procesos de descarga y carga. Este movimiento de los iones de litio crea electrones libres en el cátodo, que a cambio crea una carga positiva en el colector de corriente positivo. Después de eso, la corriente eléctrica fluye desde el colector de corriente al colector de corriente negativa, operando su dispositivo en el proceso.

¿Cuáles son los materiales utilizados para el ánodo y el cátodo?

El cátodo

La mayoría de las baterías de iones de litio utilizaban grafito como material. El grafito utilizado en el cátodo se produce sintéticamente, que se llama grafito artificial, o se extrae de la tierra, que se llama grafito natural. Luego, el grafito se procesa antes de usarse en una lámina de cobre, que sirve como cátodo en la batería de iones de litio.

El litio se utiliza como sales de iones disueltos en el electrolito de las baterías de iones de litio; sin embargo, el litio se puede utilizar como material para el cátodo en sí y también en algunas baterías.

En las baterías de iones de litio, el material del cátodo debe cumplir algunos requisitos como:

· El material debe ser de buena conductividad y porosidad.

· Debe ser ligero y duradero.

· Debe ser de bajo costo mantener las baterías baratas.

· El material debe coincidir con el voltaje del ánodo de la batería.

El ánodo

Hay más de una opción de material que se utiliza al fabricar el ánodo de la batería de iones de litio. El material utilizado en el ánodo de las baterías de iones de litio debe ser de extrema pureza sin impurezas metálicas no deseadas. El ánodo de las baterías de iones de litio es una mezcla de litio y otros metales. Si bien el material del cátodo en la batería de iones de litio está bien optimizado, el material del ánodo está abierto a mejoras y las investigaciones actuales se centran en esta área específica.

El ánodo de las baterías de iones de litio tiene materiales activos. Está compuesto de Cobalto, Níquel y Manganeso presentado en una estructura cristalina que forma un material de óxido de múltiples metales. Luego se agrega litio a la mezcla en el paso final.

¿Por qué el litio es una buena opción para el ánodo de una batería?

Al diseñar el cátodo en la batería de iones de litio, el uso de material de alta capacidad es un factor crucial en el aspecto del diseño. Es por eso que los metales alcalinos son la elección. Además, los materiales utilizados para el ánodo de las baterías de iones de litio deben tener un alto contenido energético. El litio es ahora la opción preferida para usarse como cátodo de las baterías de iones de litio. Es la mayoría de los materiales alcalinos que se pueden manipular fácilmente -con cuidado-. Es el metal más ligero y electropositivo de la familia de los metales alcalinos. El litio también tiene el valor de capacidad específica más alto debido a su baja densidad.

Todo lo anterior hizo del litio la elección perfecta como material para el ánodo. Además, existen algunas ventajas más de utilizar litio como cátodo, que son:

· El litio es un buen agente reductor.

· Se puede obtener un voltaje más alto.

· Alta densidad energética y alta capacidad de equivalencia electroquímica.

· El litio es un buen agente conductor.

· El litio tiene una excelente estabilidad mecánica.

· El litio se fabrica y fabrica fácilmente.

¿Cómo elegir mejores materiales de cátodo y ánodo de batería de iones de litio?

Los materiales del cátodo

Los materiales más utilizados para el ánodo de las baterías de iones de litio son materiales basados en aleaciones de carbono y litio. Para evitar problemas de seguridad, se recomienda utilizar el electrodo de intercalación de potencial mínimo. Los elementos presentes en esta aleación hacen que el litio insertado sea menos reactivo frente al electrolito. Además, el uso de esta aleación permite usar menos litio en la batería, lo que a cambio la hace más segura, ya que menos litio significa menos reactividad, lo que se traduce en menos riesgos de incendio.

Al elegir el material para el cátodo en las baterías de iones de litio, el material debe ser de buena conductividad y porosidad, por eso el grafito es una opción preferible debido a su estructura molecular que se ajusta a este perfil. También debe ser duradero y ligero. Además, el material debe coincidir con el voltaje del ánodo dentro de la misma batería.

El costo también es un factor muy importante a la hora de elegir el material para el cátodo. El material debe ser de bajo costo, de esa manera el fabricante puede asegurarse de que la batería cueste menos y se pueda vender en el mercado fácilmente.

Los materiales del ánodo

El ánodo de las baterías de iones de litio es el electrodo más activo dentro de la batería. El material del ánodo depende completamente de la batería de iones de litio y su aplicación. No es necesario litiar el ánodo, ya que el metal de litio actúa como electrodo negativo. En las baterías de iones de litio, dado que el electrodo de carbono, que actúa como electrodo negativo, no tiene litio, el electrodo positivo -terminal- debe actuar como fuente de litio. Es por eso que a la hora de elegir materiales de ánodo, los materiales más habituales son:

· Espinelas de Litio Manganeso (Li-Mn-O)

· Óxidos de Litio Metal.

Olivinas (LiFePO4)