Investigación sobre construcción y funcionamiento de baterías de iones de litio

¿Cuál es la construcción de las baterías de iones de litio?

Las baterías de iones de litio están hechas de lo que se llaman células. Cada celda de esos se compone de tres componentes; un electrodo positivo, un electrodo negativo y un componente químico llamado electrolito entre los positivos y negativos.

El electrodo positivo de la celda está diseñado con óxido de litio y cobalto. El electrodo negativo está diseñado con grafito. Los electrolitos son óxidos y sulfuros. El electrolito debe tener una vida útil prolongada y ofrecer una alta movilidad para los iones de litio. El electrolito puede ser líquido, polímero y de estado sólido.

¿Cómo funciona una batería de litio?

Las baterías de iones de litio tienen el mismo mecanismo de funcionamiento. Cuando la batería se está cargando, el óxido de litio-cobalto "el electrodo positivo", da algunos de sus iones de litio, estos iones se mueven a través del electrolito hasta el electrodo negativo "el grafito" y allí desaparecen. La batería durante este proceso almacena energía. Después del proceso de carga y durante la descarga; los iones de litio regresan a través del electrolito desde el electrodo negativo al positivo una vez más, lo que a su vez produce energía que enciende el dispositivo al que está conectada la batería.

Celda de batería LiFePO4 de baja temperatura de 3,2 V y 20 A -40 ℃ Capacidad de descarga de 3C≥70 % Temperatura de carga: -20~45 ℃ Temperatura de descarga: -40~+55 ℃ Prueba de acupuntura aprobada -40 ℃ Tasa máxima de descarga: 3C

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A diferencia de las baterías convencionales, las baterías de iones de litio tienen controladores electrónicos integrados. Estos controladores regulan cómo se cargan y descargan las baterías. Estos controladores evitan la sobrecarga y el sobrecalentamiento que pueden hacer que las baterías de iones de litio exploten en algunos casos.

Durante el proceso de carga y descarga en las baterías de iones de litio, los electrones fluyen en la dirección opuesta al movimiento de los iones alrededor del circuito exterior. Es importante tener en cuenta que los electrones no fluyen a través del electrolito en sí. El electrolito es efectivamente una barrera aislante y no afecta el movimiento de los electrones.

El movimiento de iones a través del electrolito y los electrones que se mueven alrededor del circuito externo en la dirección opuesta son dos procesos interconectados. Si alguno de estos movimientos se detiene, el otro también se detiene. Cuando la batería está completamente descargada y los iones dejan de moverse a través del electrolito, los electrones dejan de moverse al mismo tiempo a través del circuito exterior. Es por eso que pierde energía en su dispositivo.

La descarga ocurre a gran velocidad cuando el dispositivo alimentado por la batería de iones de litio está encendido; sin embargo, la descarga también ocurre incluso cuando el dispositivo está apagado. Esa es una desventaja de las baterías de iones de litio.

Para resumir cómo funciona el ion de litio, es el siguiente:

• Durante la carga, los iones de litio fluyen desde el electrodo positivo al electrodo negativo por todo el electrolito.

• Los electrones también fluyen desde el electrodo positivo al electrodo negativo alrededor del circuito exterior.
  

• Los electrones y los iones se combinan en el electrodo negativo y depositan litio allí.
  

• Cuando ya no hay más iones para fluir, la batería está completamente cargada y lista para ser utilizada.
  

• Durante el proceso de descarga, los iones regresan a través del electrolito. Fluyendo de regreso del electrodo negativo al electrodo positivo. Los electrones fluyen del electrodo negativo al positivo pero a lo largo del circuito exterior. Este proceso es lo que proporciona energía a su dispositivo.
  

• Cuando todos los iones dentro de la batería se mueven hacia atrás, la batería está completamente descargada y necesita recargarse una vez más.
  

¿Cómo se fabrica una batería de iones de litio?

La creación de una batería de iones de litio sigue algunos pasos sencillos:

Preparación de electrodos

• En este paso, el material que se recubrirá en el ánodo y el cátodo se mezcla y prepara.

• Las materias primas metálicas, principalmente aluminio, se cargan en la máquina de recubrimiento.
  

• Luego se aplican y agregan a la máquina capas delgadas de litio y carbono.
  

• Mediante un proceso continuo, el material se alimenta a un horno donde se está tratando el Carbón.
  

• Después del proceso del horno, el producto se alimenta a dos líneas separadas donde se fabrican el ánodo y el cátodo, cada uno con su propia línea.
  

• Después de fabricar los electrodos (ánodo y cátodo), se alimentan a una máquina donde se aplastan en capas delgadas para que puedan ser más plegables.
  

• El paso final de este proceso es el proceso de corte donde los electrodos se cortan al ancho adecuado especificado por el fabricante.
  

Creación de electrodos

• En este proceso, los electrodos se toman y se enrollan al tamaño adecuado.

• Una vez que el ánodo y el cátodo se cortan al tamaño perfecto, se combinan en pares de tamaños exactamente iguales.
  

• Después de eso, se inserta una capa delgada entre ellos (el separador).
  

• Las tres capas completas (el ánodo, el cátodo y el separador) se pliegan juntas en una máquina semiautomática.
  

Inserción de electrolitos

• Después de preparar los electrodos en el paso anterior. Se hace la vivienda para ellos.

• Se utilizan materiales plásticos o PVC para hacer la carcasa de los electrodos.
  

• Luego, los electrodos se insertan en esas carcasas.
  

• Se sueldan térmicamente en tres lados, mientras que el cuarto lado se deja abierto.
  

• A través del lado abierto, el electrolito se inserta en toda la configuración.
  

• Después de eso, se sella el lado abierto.
  

Batería de polímero resistente para portátiles de alta densidad de energía y baja temperatura Especificación de la batería: 11,1 V 7800 mAh -40 ℃ Capacidad de descarga de 0,2 C ≥80 % A prueba de polvo, resistencia a caídas, anticorrosión, antiinterferencias electromagnéticas

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Ahora tiene una batería de iones de litio lista para su primera carga.

Sin embargo, existen algunos desafíos a los que se enfrenta la industria de las baterías de iones de litio. El costo de fabricar baterías de iones de litio a gran escala es tan alto que impide que los fabricantes busquen este sueño más rápidamente.

Si miramos el mercado automotriz y los vehículos eléctricos, el costo de las baterías de iones de litio es mucho más alto de lo que ese mercado podría aceptar. Es alto hasta el punto de que los vehículos eléctricos aún no han llegado al punto de reemplazar a los automóviles convencionales. Aún son más caras.

La reducción de costos es posible a través de algo llamado optimización de esquemas de fabricación.

Otra cosa para la reducción de costos es el reemplazo del electrolito NMP dentro de las baterías de iones de litio con agua. El costo del agua como solvente es insignificante en comparación con el compuesto NMP. Además, el agua no es inflamable ni tiene vapores inflamables, lo que la convierte en la opción más segura que el NMP. El problema que enfrentan los fabricantes con el agua es que el agua es un solvente polar, y lo que se necesita en la batería es un solvente no polar como el NMP. Sin embargo, hacer del agua un solvente no polar se puede hacer a través de algunas reacciones químicas y aditivos.

Las investigaciones ahora se centran en cómo reducir el costo de las baterías de iones de litio. Predecimos que el futuro tiene grandes expectativas y, casi, el costo será tan mínimo que las baterías de iones de litio se usarán en todas partes, desde el simple control remoto hasta un avión.