¿Qué es la batería de litio?

La batería de iones de litio es una batería secundaria (batería recargable) que se basa en iones de litio para moverse entre los electrodos positivos y negativos. Durante la carga y descarga, Li + se intercala y desintercala entre dos electrodos: cuando se carga, Li + se desintercala del electrodo positivo, y el electrolito incrustado en el electrodo negativo y el electrodo negativo está en un estado rico en litio.

Baterías de litio clasificadas en baterías de litio y baterías de iones de litio. Tanto los teléfonos móviles como las computadoras portátiles usan baterías de iones de litio, que comúnmente se conocen como baterías de litio. La batería generalmente está hecha de un material que contiene litio como electrodo y es un representante de las baterías modernas de alto rendimiento. Las verdaderas baterías de litio rara vez se utilizan en la electrónica diaria debido a su alto riesgo.

La batería de iones de litio desarrollada por Sony Corporation de Japón en 1990. Se trata de insertar iones de litio en carbono (coque de petróleo y grafito) para formar un electrodo negativo (litio para baterías de litio o aleaciones de litio para baterías de litio convencionales). El material del electrodo positivo se usa comúnmente para LixCoO2, LixNiO2 y LixMnO4, y LiPF6 + carbonato de dietileno (EC) + carbonato de dimetilo (DMC) para el electrolito.

El coque de petróleo y el grafito como materiales anódicos no son tóxicos y tienen recursos suficientes. Los iones de litio se incrustan en carbono, lo que supera la alta actividad del litio y resuelve los problemas de seguridad de las baterías de litio tradicionales. El LixCoO2 positivo puede alcanzar el rendimiento y la vida de carga y descarga. Cuanto mayor sea el nivel, menor será el costo y se mejorará el rendimiento general de la batería de iones de litio. Se esperaba que las baterías de iones de litio ocuparan un gran mercado en el siglo XXI.

La fórmula de reacción para cargar y descargar baterías secundarias de iones de litio es LiCoO2 + C = Li1-xCoO2 + LixC

Las baterías de iones de litio se confunden fácilmente con los siguientes dos tipos de baterías:

(1) batería de litio: litio metálico utilizado como electrodo negativo.

(2) Batería de iones de litio: se utiliza un electrolito orgánico líquido no acuoso.

(3) batería de polímero de iones de litio: se utiliza directamente un polímero utilizado para gelificar un disolvente orgánico líquido o un electrolito totalmente sólido. Las baterías de iones de litio generalmente utilizan un material de carbono a base de grafito como electrodo negativo.

En 1970, MS Whittingham de Exxon utilizó sulfuro de titanio como material de electrodo positivo y metal de litio como material de electrodo negativo para fabricar la primera batería de litio. El material del electrodo positivo de la batería de litio es dióxido de manganeso o una fina capa de cloruro, y el electrodo negativo es litio. Después de ensamblar la batería, la batería tiene voltaje y no necesita ser cargada. Las baterías de iones de litio (baterías de iones de litio) son el desarrollo de las baterías de litio. Por ejemplo, la pila de botón utilizada en la cámara anterior era una pila de litio. La batería también se puede cargar, pero el rendimiento del ciclo no es bueno y los cristales de litio se forman fácilmente durante el ciclo de carga y descarga, lo que provoca un cortocircuito interno de la batería, por lo que, en general, la batería no está cargada. [2]

En 1982, RR Agarwal y JR Selman del Instituto de Tecnología de Illinois descubrieron que los iones de litio tienen la propiedad de estar incrustados en el grafito, que es rápido y reversible. Al mismo tiempo, la batería de litio hecha de metal de litio ha atraído mucha atención, por lo que la gente intentó hacer una batería recargable utilizando las características del grafito incrustado de iones de litio. Bell Labs redujo el electrodo de grafito de iones de litio disponible.

En 1983, M. Thackeray, J. Goodenough et al. encontraron que la espinela de manganeso es un excelente material de cátodo con bajo costo, estabilidad y excelentes propiedades de conducción y conductividad del litio. La temperatura de descomposición es alta y la oxidación es mucho más baja que la del cobaltito de litio. Incluso si se produce un cortocircuito o una sobrecarga, se puede evitar el peligro de quemaduras y explosiones.

En 1989, A. Manthiram y J. Goodenough descubrieron que un electrodo positivo con un anión polimérico produciría un voltaje más alto.

En 1992, Sony Corporation of Japan inventó una batería de litio que utiliza un material de carbono como electrodo negativo y un compuesto que contiene litio como electrodo positivo. En el proceso de carga y descarga, no existe litio metálico, solo iones de litio, que es una batería de iones de litio. Posteriormente, las baterías de iones de litio revolucionaron la cara de la electrónica de consumo. Una batería de este tipo que utiliza cobaltito de litio como material de electrodo positivo sigue siendo la principal fuente de energía para los dispositivos electrónicos portátiles.

En 1996, Padhi y Goodenough descubrieron que los fosfatos con estructura de olivina, como el fosfato de hierro y litio (LiFePO4), son más seguros que los materiales catódicos tradicionales, especialmente la resistencia a altas temperaturas, y la resistencia a la sobrecarga es muy superior a los materiales tradicionales de baterías de iones de litio.

A lo largo de la historia del desarrollo de baterías, podemos ver tres características del desarrollo actual de la industria mundial de baterías. Primero, el rápido desarrollo de baterías ecológicas, incluidas las baterías de iones de litio, las baterías de hidrógeno-níquel, etc .; el segundo es la conversión de baterías primarias en baterías, lo cual es consistente con la estrategia de Desarrollo sustentable; En tercer lugar, la batería se está desarrollando aún más en una dirección pequeña, liviana y delgada. Entre las baterías recargables comerciales, las baterías de iones de litio tienen la energía específica más alta, especialmente las baterías de polímero de iones de litio, que pueden lograr el adelgazamiento de las baterías recargables. Es precisamente porque las baterías de iones de litio tienen mayor energía volumétrica y masa que la energía, pueden cargarse y estar libres de contaminación y tienen las tres características del desarrollo actual de la industria de baterías, por lo que hay un rápido crecimiento en los países desarrollados. El desarrollo de los mercados de las telecomunicaciones y la información, especialmente el uso a gran escala de teléfonos móviles y computadoras portátiles, ha brindado oportunidades de mercado a las baterías de iones de litio. La batería de iones de litio en la batería de iones de litio reemplazará gradualmente a la batería de iones de litio de electrolito líquido con sus ventajas de seguridad únicas y se convertirá en la corriente principal de las baterías de iones de litio. La batería de polímero de iones de litio conocida como la "batería del siglo XXI", que abrirá una nueva era de baterías de almacenamiento, y las perspectivas de desarrollo son muy optimistas.

En marzo de 2015, Sharp y el profesor Tanaka Hyun de la Universidad de Kyoto desarrollaron conjuntamente una batería de iones de litio con una vida útil de 70 años. La batería de iones de litio de larga duración producida por la prueba tiene un volumen de 8 centímetros cúbicos y una carga y descarga de 25.000 veces. Además, Sharp dijo que después de que la batería real de iones de litio de larga duración se cargue y descargue 10.000 veces, su rendimiento seguirá siendo estable.

Carcasa de acero / carcasa de aluminio / cilindro / serie de envases flexibles:

(1) Electrodo positivo: el material activo es generalmente manganita de litio u óxido de cobalto de litio, material de óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso, la bicicleta eléctrica se usa generalmente como manganita de níquel cobalto (comúnmente conocida como ternaria) o ternaria + pequeña cantidad de manganita de litio, manganita de litio pura y el fosfato de hierro y litio se desvanecen gradualmente debido a su gran tamaño, bajo rendimiento o alto costo. El fluido del electrodo es una hoja de aluminio electrolítico que tiene un espesor de 10 a 20 µm.

(2) Separador: una película de polímero especialmente formada con una estructura microporosa que permite que los iones de litio pasen libremente y los electrones no puedan pasar.

(3) Electrodo negativo: el material activo es grafito o carbono con una estructura aproximada de grafito, y el colector de corriente conductor utiliza una lámina de cobre electrolítico con un espesor de 7-15 μm.

(4) Electrolito orgánico: un disolvente de carbonato en el que se disuelve hexafluorofosfato de litio y un electrolito polimérico utilizado como polímero.

(5) caja de la batería: dividida en carcasa de acero (rara vez se usa el tipo cuadrado), carcasa de aluminio, carcasa de hierro niquelado (utilizada en la batería cilíndrica), película de plástico de aluminio (embalaje blando), etc., así como la tapa de la batería , pero también la batería es terminal negativa positiva.

Las baterías de iones de litio se clasifican en una batería de iones de litio líquido (batería de iones de litio licuada, abreviada como LIB) y una batería de iones de litio de polímero (batería de iones de litio de polímero, abreviada como PLB), según el material electrolítico utilizado en el litio batería de iones.

Batería de iones de litio (Li - ion)

Las baterías recargables de iones de litio son actualmente las baterías más utilizadas en productos digitales modernos como teléfonos móviles y computadoras portátiles, pero son más "chirriantes" y no se pueden sobrecargar o descargar en exceso durante el uso (lo que puede dañar la batería o causarla). a la chatarra). Por lo tanto, hay componentes de protección o circuitos de protección en la batería para evitar costosos daños a la batería. Los requisitos de carga de la batería de iones de litio son muy altos, para garantizar que la precisión del voltaje de terminación esté dentro de ± 1%, los principales fabricantes de dispositivos semiconductores han desarrollado una variedad de IC de carga de batería de iones de litio para garantizar una carga segura, confiable y rápida.

Los teléfonos móviles utilizan baterías de iones de litio. El uso adecuado de las baterías de iones de litio es importante para prolongar su vida útil. Se fabrica en planos rectangulares, cilíndricos y rectangulares y tipo botón según los requerimientos de diferentes productos electrónicos, y tiene un paquete de baterías compuesto por varias baterías conectadas en serie y conectadas en paralelo. El voltaje nominal de una batería de iones de litio es generalmente de 3,7 V debido a un cambio en el material, y 3,2 V es un electrodo positivo de fosfato de hierro y litio (en lo sucesivo denominado ferrofósforo). El voltaje de carga de terminación cuando está completamente cargado es generalmente de 4.2V y el hierro de fósforo es de 3.65V. El voltaje de descarga de terminación de la batería de iones de litio es de 2,75 V a 3,0 V (la fábrica de la batería proporciona el rango de voltaje de trabajo o el voltaje de descarga de terminación, y los parámetros son ligeramente diferentes, generalmente de 3,0 V, y el hierro de fósforo es de 2,5 V) . La descarga continua por debajo de 2,5 V (hierro fósforo 2,0 V) se denomina descarga excesiva y la descarga excesiva dañará la batería.

Una batería de iones de litio en la que el material de tipo litio-cobaltita es un electrodo positivo, que no es adecuado para su uso como una gran descarga de corriente. Puede ser peligroso que una descarga de corriente excesiva reduzca el tiempo de descarga (una alta temperatura generada internamente para perder energía). Sin embargo, el fosfato de hierro y litio, el material del cátodo, la batería de litio se puede cargar y descargar con una gran corriente de 20 ° C o más (C es la capacidad de la batería, como C = 800 mAh, velocidad de carga de 1 ° C, es decir, la corriente de carga es de 800 mA), y es especialmente adecuado para vehículos eléctricos. Por lo tanto, la planta de producción de baterías proporciona la corriente de descarga máxima, que debe ser menor que la corriente de descarga máxima en uso. Las baterías de iones de litio tienen ciertos requisitos de temperatura. La fábrica proporciona el rango de temperatura de carga, el rango de temperatura de descarga y el rango de temperatura de almacenamiento. La carga por sobretensión causará daños permanentes a la batería de iones de litio. La corriente de carga de la batería de iones de litio debe basarse en las recomendaciones del fabricante de la batería y requiere un circuito de corriente limitado para evitar sobrecorriente (sobrecalentamiento). La relación de carga comúnmente utilizada es de 0,25 ° C a 1 ° C. A menudo es necesario detectar la temperatura de la batería durante la carga de alta corriente para evitar que el sobrecalentamiento dañe la batería o explote.

La carga de la batería de iones de litio tiene dos fases: primera carga de corriente constante y cambio a carga de voltaje constante cuando está cerca del voltaje de terminación. Por ejemplo, una batería de 800 mAh de capacidad tiene un voltaje de carga de terminación de 4,2 V. La batería se cargó a una corriente constante de 800 mA (tasa de carga 1C). Al principio, el voltaje de la batería aumentó con una gran pendiente. Cuando el voltaje de la batería está cerca de 4.2V, cambió a 4.2V de carga de voltaje constante, la corriente disminuye gradualmente y el voltaje no cambia mucho. Cuando la corriente de carga cae a 1 / 10-50C (el valor de configuración de cada fábrica es diferente, no afecta el uso), se considera que está casi lleno y la carga puede terminar (algunos cargadores inician el temporizador después de 1 / 10C, después de un cierto tiempo) Finalizar la carga.

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