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Aug 30, 2023 Pageview：126
El rendimiento de las baterías de iones de litio en su función de almacenamiento de energía depende de los materiales de ánodo y cátodo utilizados en su desarrollo. Según la química, los materiales de ánodo para baterías de iones de litio se clasifican en las siguientes categorías;
1. Ánodos de grafito: el grafito se usa comúnmente en baterías comerciales de iones de litio. Tiene una estructura en capas que permite la intercalación de iones de litio entre capas durante los procesos de carga y descarga.
2. Óxidos de metales de transición: los óxidos de metales de transición explorados como materiales anódicos incluyen dióxido de titanio (TiO2) y óxido de estaño (SnO2).
3. Ánodos a base de silicio: la capacidad teórica del silicio para almacenar iones de litio es alta, factor que lo convierte en una buena alternativa al grafito. Durante la extracción e inserción de litio, el volumen de contracción y expansión que experimenta el silicio es significativo, lo que da como resultado una estabilidad cíclica deficiente.
4. Ánodos de metal de litio: el metal de litio es un material de ánodo prometedor ya que tiene el potencial de electrodo más bajo y la capacidad teórica más alta. Esto conlleva la limitación de posibles cortocircuitos y, por tanto, de riesgos para la seguridad debido a la formación de depósitos dendríticos de litio.
5.Otros ánodos de aleación: para mejorar la estabilidad del ciclo y mitigar los cambios de volumen, la aleación puede ayudar. Los posibles materiales de aleación utilizados como materiales anódicos incluyen aleaciones a base de germanio (Ge-Si) y aleaciones a base de estaño (Sn-C, Sn-Co).
Características de los materiales de los ánodos de baterías de litio.
Capacidad: cuanto mayor es la capacidad de almacenamiento de los materiales anódicos, más energía pueden almacenar, lo que da como resultado baterías con alta densidad de energía.
La estabilidad cíclica es la capacidad de un material de ánodo para soportar ciclos repetidos de carga y descarga sin posibilidad de degradación significativa.
Capacidad de velocidad: esto es importante cuando las aplicaciones requieren carga y descarga rápidas.
Los materiales de ánodo de seguridad con menos problemas de inestabilidad y aquellos menos propensos a la formación de dendritas mejoran las operaciones de batería más seguras.
Cambios de volumen: durante la inserción y extracción de litio, los materiales con una mínima expansión y contracción de volumen probablemente mantendrán su integridad estructural durante los ciclos de carga.
Conductividad: la eficiencia en el transporte de iones dentro del electrodo se ve facilitada por la alta conductividad iónica y electrónica.
¿Electrodo negativo a base de carbono?
?Los materiales a base de carbono se utilizan como ánodos (electrodos negativos) en baterías de iones de litio para lograr bajo costo, estabilidad e intercalación de la capacidad de iones de litio. El material más frecuente es el grafito.
1. Ánodos de grafito: el grafito es el material de ánodo más utilizado, ya que ofrece varias ventajas en las baterías de iones de litio. Las ventajas incluyen; buena estabilidad cíclica, relativamente seguro en comparación con otros materiales, rentabilidad ya que el grafito es abundante y económico, y una tecnología bien establecida para integrar el grafito en las líneas de producción de baterías. Sin embargo, existen limitaciones asociadas con los ánodos de grafito, incluida una capacidad limitada en comparación con materiales como el silicio y la capacidad de velocidad, lo que significa que es posible que no puedan manejar ciclos de descarga y alta velocidad.
2.Otros ánodos a base de carbono: los investigadores han explorado varios materiales a base de carbono más allá del grafito para mejorar el rendimiento del ánodo.
Compuestos de silicio y grafito: combinar grafito con silicio es una buena manera de aprovechar la alta capacidad del silicio y al mismo tiempo mitigar los cambios de volumen aprovechando la estructura del grafito.
Grafeno: el grafeno es una sola capa que contiene átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal. Es un buen candidato para ser utilizado como material anódico debido a su conductividad eléctrica y su alta superficie.
Los nanotubos de carbono están compuestos por láminas de grafeno enrolladas y ofrecen alta resistencia mecánica y conductividad eléctrica, mejorando el rendimiento del ánodo.
El carbono duro almacena mayores cantidades de litio que el grafito y puede alcanzar mayores capacidades, aunque adolece de una menor conductividad.
Materiales de carbono sin grafito
Se ha descubierto que algunos materiales distintos del grafito poseen propiedades únicas y se utilizan como materiales anódicos para baterías de iones de litio. Ofrecen mejores características de rendimiento que el grafito y la investigación continúa para mejorar su estabilidad cíclica y densidad de energía. Los materiales distintos del grafito incluyen;
1.Los nanotubos de carbono son estructuras cilíndricas con materiales de grafeno con alta resistencia mecánica, conductividad eléctrica y gran superficie.
2. Las nanofibras de carbono son una forma de carbono con morfología fibrosa similar a los nanotubos de carbono. Su conductividad eléctrica es buena y el transporte de iones de litio es eficiente.
3.Carbón duro: derivan de determinados polímeros o biomasa y tienen una estructura amorfa. Su estructura permite la intercalación de iones de litio; En comparación con el grafito, almacenan más litio.
4.Microesferas de Carbono: la capacidad de almacenamiento que ofrecen estas partículas esféricas de carbono es buena ya que su morfología está bien definida.
5.Carbón mesoporoso: los poros bien definidos y la gran superficie proporcionan suficiente espacio para el almacenamiento de iones de litio, lo que permite una difusión eficiente y un rendimiento adecuado de la batería.
6. Carbón activado: se caracterizan por su naturaleza porosa y su gran superficie que ofrece un buen almacenamiento reversible de iones de litio, lo que los convierte en una buena opción cuando la capacidad de velocidad es crucial.
7.Compuestos de carbono-silicio: el carbono proporciona una mejor conductividad y soporte mecánico al compuesto, ya que la combinación de carbono y silicio mitiga los problemas de estabilidad y cambios de volumen.
Electrodo negativo sin base de carbono
Los ejemplos notables de materiales no basados en carbono que se han explorado como ánodos incluyen;
1.Ánodos a base de silicio: la capacidad teórica del silicio para almacenar iones de litio es elevada, factor que lo convierte en una buena alternativa al grafito. Durante la extracción e inserción de litio, el volumen de contracción y expansión que experimenta el silicio es significativo, lo que da como resultado una estabilidad cíclica deficiente.
2. Los ánodos de óxido metálico incluyen óxido de hierro (Fe3O4) y óxido de estaño (SnO2), entre otros, que ofrecen altas capacidades pero tienen problemas de estabilidad cíclica y mala conductividad.
3. Ánodos de metal de litio: el metal de litio tiene el potencial de electrodo más bajo y la capacidad teórica más alta, lo que lo convierte en una buena opción para los ánodos. Sin embargo, las limitaciones incluyen riesgos para la seguridad debido a cortocircuitos durante el ciclismo.
4.Ánodos de aleación: los materiales de aleación ayudan a mitigar los cambios de volumen durante la inserción y extracción de litio. Incluyen aleaciones a base de silicio y estabilidad del equilibrio, capacidad de velocidad y capacidad.
5. Ánodos a base de azufre: el azufre es económico y relativamente abundante con una alta capacidad teórica. El material del ánodo activo de las baterías de litio-azufre es el azufre.
6.Ánodos orgánicos: algunos compuestos orgánicos, como varias moléculas a base de carbono, se han explorado como materiales anódicos.
Conclusión
Los requisitos específicos de una aplicación determinan la elección del material del ánodo que se utilizará. Los factores a considerar incluyen el costo, la estabilidad del ciclo, la densidad de energía y la seguridad. La investigación y los nuevos desarrollos continúan en este campo a medida que se exploran nuevos materiales que buscan refinar y mitigar los desafíos existentes. Los factores que se deben considerar al diseñar ánodos a base de carbono incluyen capacidad y estabilidad, arquitectura de electrodos, enfoques compuestos, fabricación avanzada y compatibilidad de electrolitos.
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