Materiales de baterías de iones de litio presentes y futuros

En los últimos años, las baterías de iones de litio han sido la principal fuente de energía para la mayoría de nuestros dispositivos electrónicos portátiles. Pero entonces, existen diversas limitaciones para su aplicación, especialmente en algunos medios de transporte eléctricos o en las aplicaciones superiores. En nuestra publicación de hoy, discutiremos el desarrollo y el futuro de las baterías de iones de litio.

En su mayor parte, el revestimiento y el dopaje elemental han alterado la mayoría de los materiales de los electrodos que se utilizan comúnmente en los materiales del ánodo o cátodo de las baterías. Esto ha provocado una difusividad bastante alta de iones de litio, conductividad y movilidad, además de la capacidad específica. Hay nuevos materiales para electrodos, y se informa que muchos de ellos ofrecen un rendimiento mejorado. Estos rendimientos se han analizado mediante algunos parámetros, que incluyen, entre otros, la capacidad específica, la estabilidad cíclica, la tasa de carga / descarga y la energía específica. En consecuencia, el escenario actual de los materiales de los electrodos de las baterías de iones de litio es muy prometedor porque promete mejorar el rendimiento de la batería, haciéndola aún más eficiente. Este desarrollo seguramente reducirá la dependencia y el dominio de los combustibles fósiles, especialmente para la producción de energía (por ejemplo, en la quema de carbón para generar electricidad).

¿Qué materiales hay en una batería de iones de litio?

Los componentes de una celda de batería comprenden un suministro complejo de una gran cantidad y, la mayoría de las veces, un grupo de productos no relacionados. Y uno de los grupos de materiales que juega un papel destacado son los minerales y metales no ferrosos.

Hay varios grupos de materiales importantes, que incluyen los materiales del ánodo, los materiales del cátodo, el separador y los colectores de corriente, los electrolitos y muchos más. Generalmente, las baterías de iones de litio se especifican principalmente por la química de su cátodo. Puede haber productos químicos alternativos o formulaciones especiales dentro de varios rangos de baterías, y estos brindan a estas baterías opciones especiales de potencia, seguridad, energía e incluso costos y, a menudo, están hechas para aplicaciones especiales y distintas.

Los metales y minerales no ferrosos presentes principalmente en las baterías de iones de litio son cobalto, manganeso, níquel, litio, grafito, aluminio y cobre. Donde los primeros cuatro se usan principalmente como materiales para cátodos, sin embargo, el litio también se puede usar como electrolito. En consecuencia, puede haber desarrollos especiales para cátodos y colectores, particularmente para material metálico no ferroso utilizado, pero para el ánodo, se utiliza principalmente grafito.

Hay un énfasis creciente en xEV y los mercados de ESS (aunque en menor grado) las demandas de materiales están cambiando un poco. Esto se puede ver evidentemente en los materiales de cátodos, ya que el mercado se está alejando del cátodo LCO con alto contenido de cobalto, que se usa típicamente en la electrónica portátil, a los productos más ricos en níquel, NMC, pero también se solicita NCA. Hay otro material xEV que se solicita en China hoy, y ese es el LFP. Aunque la demanda de esto ahora está perdiendo algo de terreno en comparación con NCA y NMC. Pero LFP se ha mantenido favorable a las aplicaciones ESS y HEV.

Como hemos establecido, hay un cambio en la demanda de materiales. Por ejemplo, debido a la dependencia de materiales LCO con alto contenido de cobalto para el cátodo, es posible que el cobalto no sea el requerido como de costumbre, especialmente en la próxima década, a pesar del sólido desempeño de los cátodos NCA y NMC. Como ya sabrá, estos contienen cobalto, pero el componente de cobalto es de muy bajo volumen. Aunque el consumo de litio puede triplicarse en 2025 a 170 kt en el caso base, es posible que el cobalto solo experimente una duplicación en su demanda a aproximadamente 57 kt.

¿Cuáles son los iones de litio que se utilizan en las baterías?

El uso del término "baterías de litio" se refiere a una familia de varias baterías de químicas de litio-metal, que comprende varios tipos de electrolitos y cátodos, pero todos tienen litio metálico en su ánodo. Estas baterías requieren de aproximadamente 0,15 kg a 0,3 kg por kWh de litio. Estos sistemas primarios están diseñados para hacer uso de cátodos cargados que son electroactivos con vacantes cristalográficas que se llenan gradualmente durante las descargas.

Uno de los tipos más comunes de pilas de litio que se utilizan en la mayoría de las aplicaciones de consumo utiliza litio metálico en su ánodo y luego dióxido de manganeso en su cátodo. Luego hay una sal de litio disuelta en el solvente orgánico.

Además, para optimizar el rendimiento de las celdas de iones de litio en su producto, algunos fabricantes usan soluciones electrolíticas que consisten en solventes orgánicos como la sal LIPF6 y varios otros aditivos. Esto lo hacen muchos fabricantes y centros de investigación para producir celdas de iones de litio para varias aplicaciones de baterías, desde vehículos eléctricos hasta productos electrónicos de consumo.

El desarrollo y el futuro de las baterías de iones de litio

No es ningún secreto que desde 1991, cuando se introdujo por primera vez la batería de iones de litio para su uso comercial, ha sido un gran éxito y ha impulsado una amplia variedad de aplicaciones industriales y electrónicas. Desde entonces, se han realizado serias investigaciones con el fin de mejorar el rendimiento y la productividad de estas baterías.

Hoy en día, las baterías de iones de litio son casi indispensables, especialmente cuando consideramos la vida y la aplicación de las personas en nuestra sociedad moderna. Podemos llamar fácilmente a las baterías de iones de litio una tecnología dominante ampliamente utilizada en varios dispositivos electrónicos portátiles, incluidos teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles, juguetes para niños y mucho más industrialmente.

Más que esto, también podemos referirnos a las baterías de iones de litio como la opción más preferida cuando hablamos de los sectores recién emergentes, como el de los coches eléctricos.

Si bien todos podemos estar de acuerdo en que la tecnología de iones de litio hasta ahora sigue estando subexplotada en el campo del suministro de energía, especialmente en el área de la energía fotovoltaica y eólica, todavía tiene un potencial enorme en la búsqueda de la lucha contra las emisiones de carbono a nivel mundial, y también puede ayudar en sostenibilidad energética.

Las baterías de iones de litio pueden considerarse fácilmente baterías que pueden cambiar el mundo. Estas baterías son ahora la opción de energía utilizada en innumerables productos electrónicos de consumo, así como en los vehículos eléctricos Tesla y en muchos otros conglomerados globales.

Aunque estas baterías prometen ayudar al mundo a resolver su desafío de energía y sostenibilidad en el futuro, algunas de sus debilidades aún deben resolverse.

Por ejemplo, cuando se utilizan electrodos de metal de litio, la densidad de energía producida es mayor que la que producirán las baterías convencionales. Sin embargo, los electrodos de metal de litio pueden desarrollar dendritas que tienen estructuras en forma de dedos y son principalmente responsables del cortocircuito experimentado en la batería.

Este problema se ha resuelto mediante el uso de un electrodo de carbono que contiene iones de litio en lugar de electrodos de metal de litio. Esto da lugar a las baterías de iones de litio, aunque su capacidad de almacenamiento de energía se ha reducido en comparación con una batería de electrodo de metal de litio. Por tanto, se puede mejorar el aumento de la capacidad de almacenamiento de energía.