22 años de personalización de baterías
Aug 11, 2020 Pageview：1773
En esta era de la tecnología de rápido crecimiento, rodeada de aparatos y equipos electrónicos, las baterías se han vuelto muy importantes. Estas baterías controlan casi todos los aspectos de nuestra vida diaria y hay diferentes tipos de ellas que desempeñan su papel. Las baterías son dispositivos electroquímicos que utilizan la química para generar energía eléctrica. Las baterías constan de dos partes, a saber: cátodo y ánodo. El cátodo es un óxido metálico y el ánodo está hecho de carbono o grafito. El cátodo y el ánodo juegan un papel importante en las reacciones químicas que producen una salida eléctrica.
¿Cómo funcionan el ánodo y el cátodo en las baterías de iones de litio?
Al igual que cualquier otra reacción electrolítica, la reacción dentro de la batería de iones de litio es la misma. Se produce un intercambio de iones entre el ánodo y el cátodo con la ayuda de un material intermedio, el electrolito.
Durante el estado de descarga de la batería, los iones de litio viajan desde el ánodo (electrodo negativo) al cátodo (electrodo positivo) a través de un electrolito. Mientras que, durante el proceso de carga de la batería de iones de litio, los iones viajan desde el cátodo (electrodo positivo) al ánodo (electrodo negativo).
El cátodo de las baterías de iones de litio está formado por un compuesto de litio interpolado, dióxido de manganeso y litio. El ánodo, estereotípicamente, está formado por carbono. Durante la fase de descarga de la batería, se produce una reacción de oxidación en el ánodo que produce iones de litio (positivos), electrones (negativos) y algunos subproductos en el ánodo. Los iones de litio y los electrones se transmiten a través de los electrolitos que luego se reúnen en el cátodo en una reacción de reducción.
El electrolito de la batería de iones de litio es una combinación de sales de litio. El circuito externo proporciona una ruta de conductividad para los iones de litio y los electrones producidos durante la reacción. El electrolito no interviene por sí mismo en las reacciones de la batería. Las reacciones que ocurren durante el proceso de descarga reducen la potencia química de la celda, que a su vez ofrece energía eléctrica a cualquier carga que esté conectada a ella a través de los circuitos externos. Durante el proceso de carga, todos estos pasos se invierten. En esta etapa, el circuito externo proporciona energía eléctrica para que comience el proceso de carga y esta energía eléctrica se ahorra en forma de energía química (obtenida a través de reacciones) dentro de la celda.
¿Cuál es la reacción química en las baterías de iones de litio?
1.Reacciones de células medias
Reacción del ánodo (durante la descarga de la batería):
En el ánodo, el litio se oxida de Li a Li +. Significa que el estado de oxidación cambia de 0 a +1. La reacción química en curso en el ánodo de litio-grafito se representa simbólicamente como:
LiC6 C6 + Li + + e–
b) Reacción del cátodo (durante la descarga de la batería):
Estos iones de litio del ánodo migran del medio al cátodo a través de un electrolito. Aquí se incorporan al óxido de cobalto y litio. Y aquí reduce el cobalto de +4 a +3 estado de oxidación. Toda esta reacción que ocurre en el cátodo se representa simbólicamente como:
CoO2 + Li + + e- LiCoO2 (s)
2.Reacción general (al descargar la batería)
Estas reacciones químicas ocurren cuando la batería se está descargando. La reacción química general se representa simbólicamente como:
LiC6 + CoO2 C6 + LiCoO2
3.Reacción química (en la recarga de la batería):
En la recarga de la batería o de una celda, todas estas reacciones ocurren a la inversa. Esto significa que los iones de litio se van y el enlace en el cátodo de óxido de cobalto y litio se rompe. Estos iones de litio vuelven nuevamente al ánodo. Aquí nuevamente se reducen y se integran en el sistema de grafito.
¿Qué materiales de ánodo y cátodo son buenos para las baterías de iones de litio?
El ánodo y el cátodo forman las partes principales de la celda que producen reacciones que ayudan a las baterías a realizar su función principal, proporcionando energía eléctrica. Para mantener el rendimiento de la batería óptimo y eficiente sin ningún peligro químico o eléctrico, hasta ahora se han utilizado los siguientes materiales en celdas disponibles comercialmente.
Materiales del cátodo
Los materiales del cátodo se construyen generalmente a partir de LiCoO2 o LiMn2O4.
Materiales a base de cobalto
El material a base de cobalto desarrolla una estructura pseudo tetraédrica que permite la difusión bidimensional de iones de litio. Los cátodos a base de cobalto son ideales debido a su alta capacidad térmica específica teórica, alta capacidad volumétrica, baja autodescarga, alto voltaje de descarga y buen rendimiento cíclico.
Materiales a base de manganeso
Los materiales a base de manganeso adoptan un sistema de celosía de cristal cúbico, que permite la difusión tridimensional de iones de litio. Los cátodos de manganeso son atractivos porque el manganeso es más barato y porque teóricamente podría usarse para hacer una batería más eficiente y de mayor duración si se pudieran superar sus limitaciones. LiFePO4 también es un candidato para la producción a gran escala de baterías de iones de litio, como aplicaciones de vehículos eléctricos, debido a su bajo costo, excelente seguridad y alta durabilidad de ciclo.
Materiales del ánodo
Actualmente, existen tres materiales más comunes utilizados en la construcción de ánodos:
Ánodos a base de carbono
El grafito es la forma más común de carbono utilizada en la construcción de ánodos a base de carbono. Estos ánodos constan de láminas de forma hexagonal y romboédrica. Cuando el ión de litio entra en contacto con el ánodo, las láminas de grafito se reorganizan. Los ánodos a base de carbono son rentables y fácilmente disponibles. También poseen las propiedades electroquímicas más adecuadas requeridas en las baterías de iones de litio.
Ánodos no grafíticos
Dado que las baterías de iones de litio están sujetas a investigación y desarrollos constantes, se están logrando avances para el uso de carbono de grafito moderno. Los científicos informaron que el uso de formas grafíticas alteradas ayuda a mejorar las características electroquímicas. Estas formas impuras de grafito carecen de la propiedad del grafito para reorganizarse en capas. Los ánodos no grafíticos funcionan de manera eficiente en combinación con electrolitos sólidos y se pueden combinar con óxido de litio-manganeso.
Ánodos de aleación de litio
Los ánodos de aleación de litio son una de las muchas adiciones recientes aplicadas a la tecnología de baterías de iones de litio. El ánodo de litio-aluminio, Li-Al, es el primer ánodo de aleación de litio desarrollado en esta categoría. Estos ánodos de aleación ofrecen grandes avances en el reciclaje de baterías de litio. El óxido de litio y titanio es otro ánodo de aleación desarrollado para reemplazar los ánodos de carbono tradicionales. Estos ánodos ofrecen ventajas adicionales ya que ofrecen ciclos mejorados debido a la ausencia de cambios volumétricos que ocurren durante el proceso de eliminación y suplemento de litio. El problema con estos ánodos es que no pueden producir salidas de energía de alta densidad debido a sus altos niveles de voltaje operativo.
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