¿Cómo funcionan las baterías de iones de litio?

Cambios de metal de litio a iones de litio

El estudio de las baterías de litio comenzó en GN Lewis en 1912, pero no fue hasta principios de la década de 1970 que las baterías primarias de litio se comercializaron por primera vez. En la década de 1980, los científicos comenzaron a intentar desarrollar baterías secundarias de litio, pero el metal de litio utilizado como material del electrodo negativo tiene una gran inestabilidad y la limitación de las materias primas conduce a un progreso lento.

El litio es sin duda el más ligero de todos los metales, por lo que tiene el mayor potencial electroquímico y máxima energía específica por unidad de peso, y la batería secundaria con litio metálico como ánodo (electrodo negativo) [1] tiene una densidad de energía muy alta. Sin embargo, a mediados de la década de 1980, se descubrió que los ánodos de litio metálicos producían dendritas dañinas durante el ciclo de la batería, y era fácil perforar el separador durante el crecimiento dendrítico para provocar un cortocircuito en la batería. Luego, la temperatura de la batería aumenta rápidamente y se acerca al punto de fusión del litio y, finalmente, la fuga térmica hace que la batería se incendie e incluso provoque una explosión. Por ejemplo, en 1991, debido a quemaduras causadas por gases inflamables liberados durante el uso de baterías de litio para teléfonos móviles, se retiraron del mercado una gran cantidad de baterías secundarias de litio metálico vendidas a Japón.

El metal litio tiene una inestabilidad inherente y es particularmente evidente durante el proceso de carga, por lo que los investigadores han cambiado su enfoque al estudio de los iones de litio en soluciones no metálicas. Aunque las baterías de iones de litio tienen una energía específica más baja que el metal de litio, siempre que los fabricantes de baterías y los paquetes de baterías se implementen de acuerdo con las normas de seguridad, manteniendo un nivel seguro de voltaje y corriente, la seguridad de las baterías de iones de litio está garantizada. . Desde la comercialización de las primeras baterías de iones de litio por Sony en 1991, las baterías de iones de litio se han convertido en el mercado más prometedor y de más rápido crecimiento. Al mismo tiempo, sin embargo, los investigadores aún no renunciaron al desarrollo de baterías de litio metálicas seguras.

El descubrimiento del óxido de litio y cobalto como material de electrodo positivo se atribuyó a John Goodenough (1992). Se dice que John Goodenough trabajó con un graduado empleado por NTT Japan. Poco después de que John Goodenough inventara la batería de iones de litio, el estudiante llevó el invento a Japón. En 1991, Sony anunció que había obtenido una patente internacional para un material de cátodo de óxido de cobalto y litio. Después de muchos años, siguieron demandas, pero Sony aún podía tener patentes y John Goodenough no tenía nada.

Punto de inflamación del sistema de batería de iones de litio

Las baterías de iones de litio tienen el doble de energía específica que las baterías de níquel-cadmio y tienen un voltaje teórico más alto (3.60V) que el 1.20V del sistema de níquel. El primero es más beneficioso para el aumento de energía específico teórico. Al mismo tiempo, las mejoras en los materiales activos de los electrodos tienen un mayor potencial para aumentar la densidad de energía. El rendimiento de carga de las baterías de iones de litio es muy bueno. La celda única ideal tiene una curva de descarga plana en el rango de voltaje de 3,7 a 2,8 V, lo que muestra un buen rendimiento de reserva de energía. Sin embargo, una sola batería de níquel solo tiene un rango de descarga plano estrecho de 1,25 V a 1,0 V.

En 1994, el modelo 18650 [2] tenía una batería cilíndrica de iones de litio con una capacidad de solo 1100 MAH, que costaba más de $ 10. En 2001, el costo se redujo a $ 2 y la capacidad aumentó a 1900 MAH. Hoy en día, la batería cilíndrica 18650 de alta densidad de energía proporciona más de 3000 MAH de capacidad y es menos costosa. La reducción de costos, el aumento de energía específica y la ausencia de sustancias tóxicas han hecho que la aplicación de baterías de iones de litio en dispositivos portátiles sea generalmente reconocida, y gradualmente se trasladó del mercado inicial de bienes de consumo a la industria pesada, incluidos los sistemas de energía de vehículos eléctricos.

En 2009, aproximadamente el 38% de los ingresos por baterías provino de las baterías de iones de litio. Las baterías de iones de litio son fáciles de mantener y no tienen comparación con muchas otras baterías químicas. Las baterías de iones de litio no tienen efecto memoria, no requieren carga y descarga completas para mantener el rendimiento, y la tasa de autodescarga es menos de la mitad de la de las baterías de níquel, lo que hace que las baterías de litio se utilicen bien en los medidores de combustible. Además, la batería de iones de litio tiene un voltaje nominal de 3.60V y se puede usar directamente como batería para teléfonos móviles y cámaras digitales a través del diseño del paquete de baterías, lo que simplifica el proceso y reduce el costo. Pero la desventaja es que debe proteger el circuito contra fugas y evitar precios altos.

Clasificación de las baterías de iones de litio desde la perspectiva de los materiales.

Al igual que las baterías de plomo y níquel, los iones de litio utilizan un electrodo positivo (cátodo), un electrodo negativo (ánodo) y un electrolito como conductor. El electrodo positivo es un óxido metálico y el electrodo negativo está compuesto de grafito poroso. Durante la descarga, los iones de litio se mueven del electrodo negativo al electrodo positivo a través del electrolito y el separador; durante la carga, los iones de litio fluyen desde el electrodo positivo al electrodo negativo en direcciones opuestas, como se muestra en la FIG.

Cuando la batería está cargada y descargada, Li + se desplaza entre los electrodos positivo y negativo. Durante la descarga, el ánodo se oxida, pierde electrones y el cátodo se reduce para obtener electrones; al cargar, la carga se mueve en la dirección opuesta.

Hay muchos tipos de baterías de iones de litio, según el material del electrodo. Pero cuando elige diferentes materiales, el rendimiento de la batería variará mucho.

Todos los materiales de los electrodos positivos contienen Li +. Óxido de litio y cobalto común (óxido de litio y cobalto), óxido de litio y manganeso (también conocido como espinela o manganato de litio), fosfato de hierro y litio, material ternario de níquel cobalto manganeso (NMC) [3] y óxido de litio níquel cobalto de aluminio (NCA). Todos estos materiales tienen un límite superior de energía teórico (los iones de litio tienen una capacidad teórica de aproximadamente 2000 kWh, que es más de 10 veces la energía específica de las baterías comerciales de iones de litio).

La batería de iones de litio original de Sony utiliza coque (un producto del carbón) como material de electrodo negativo. Desde 1997, la mayoría de los fabricantes de baterías de iones de litio, incluido Sony, han convertido los materiales del ánodo en grafito, lo que ha dado como resultado una curva de descarga plana. El grafito es una forma de carbono que se utiliza en los lápices. Puede almacenar bien los iones de litio durante la carga y tiene un ciclo largo y buena estabilidad. De los materiales de carbono, el grafito es el más común, seguido del carbono duro y el carbono blando. Otros carbonos, como los nanotubos de carbono, aún no han encontrado su uso comercial. La Figura 2 compara las curvas de descarga de voltaje de una batería de iones de litio moderna con grafito como electrodo negativo y una batería de iones de litio con un electrodo negativo de coque temprano.

En el rango de descarga de funcionamiento normal, la batería debe tener una curva de voltaje plana, que es mejor que el coque anterior.

Los materiales de los ánodos también están evolucionando y los investigadores experimentan constantemente con nuevos materiales, incluidas las aleaciones a base de silicio. En esta aleación, seis átomos de carbono están unidos a un ión de litio y un átomo de silicio puede unir cuatro iones de litio. Esto significa que, en teoría, el electrodo negativo de silicio puede almacenar 10 veces la energía del material de grafito. En la actualidad, los materiales de silicio han aumentado entre un 20% y un 30% en capacidad específica a costa de reducir el potencial de carga y el ciclo de vida. Sin embargo, el problema es que durante el proceso de carga, los iones de litio se expanden fácilmente en volumen después de ser incrustados en el material a base de silicio (expandiéndose a más de cuatro veces el volumen inicial).

La sal de titanato de litio nanoestructurada tiene un buen ciclo de vida y capacidad de carga, excelente rendimiento a baja temperatura y buen rendimiento de seguridad como material de electrodo negativo, pero su capacidad específica es baja y el costo es alto.

Compensaciones entre diferentes fabricantes en el rendimiento de las baterías

Varios estudios sobre materiales positivos y negativos permiten a los fabricantes considerar el rendimiento inherente de la batería, pero el fortalecimiento de un indicador a menudo se realiza a expensas de otro sacrificio de rendimiento. En las llamadas "baterías de almacenamiento de energía", los fabricantes de baterías están más inclinados a aumentar la capacidad específica para el uso a largo plazo, pero hacerlo puede resultar en una menor potencia específica y ciclo de vida. En la "batería de energía", se puede sacrificar una cierta capacidad para lograr una alta potencia. Las propiedades anteriores de la "batería híbrida" están relativamente equilibradas. La "batería de larga duración" se desarrolló para un uso prolongado. Estas baterías especiales son generalmente voluminosas y costosas.

Los fabricantes pueden obtener fácilmente baterías de iones de litio de alta capacidad específica y de bajo costo si reemplazan el níquel por níquel, pero esto reducirá la estabilidad de la batería. Aunque algunas empresas de reciente creación pueden prestar más atención a la capacidad específica de la batería para ganar reconocimiento en el mercado más rápidamente, la seguridad y la estabilidad no pueden ignorarse. Las empresas de renombre colocarán la seguridad y la eficiencia a largo plazo en un lugar extremadamente importante.

Mejorar los materiales existentes tiene un largo camino por recorrer

La industria de las baterías de iones de litio se utiliza principalmente en productos electrónicos portátiles y aún se desconoce la estabilidad a largo plazo de su sistema de energía eléctrica. La vida útil, el rendimiento a largo plazo y los costos operativos solo se conocen después de que el automóvil eléctrico haya sido actualizado varias veces y aceptado por el cliente. La Figura 3 a continuación resume las ventajas y limitaciones de las baterías de iones de litio.

En conjunto, estos dos desafíos son particularmente graves en la actualidad, ya que mejoran el rendimiento de la batería y encuentran mejores compuestos. Superar cualquier cuello de botella hará que las baterías sean más decisivas que los combustibles fósiles casi libres. Aunque los medios han realizado extensos reportajes sobre importantes avances en baterías, todavía no es momento de escribir un artículo para elogiar la victoria. Incluso si se confirma y aprueba cierto desarrollo, se necesitarán varios años para ingresar al mercado y realmente “volar” a los hogares de la gente común.

Anotación:

[1] Cuando se consume energía, como en un diodo, un tubo de vacío o una batería recargable, el material del ánodo es un material de electrodo positivo; a la inversa, cuando se descarga, como en el proceso de descarga de una batería, el material del ánodo es un material de electrodo negativo.

[2] La batería cilíndrica de iones de litio se desarrolló a mediados de la década de 1990. Se ha medido que tiene un diámetro de 18 mm y una longitud de 65 mm, que se usa principalmente en computadoras portátiles.

[3] Algunos sistemas de baterías de níquel, manganeso, manganeso y cobalto se escribieron como NCM, CMN, CNM, MNC y MCN. Estos sistemas son básicamente los mismos.

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