22 años de personalización de baterías
May 09, 2022 Pageview：332
John Goodenough inventó las baterías de iones de litio en 1980 y Sony las comercializó en 1991. Las baterías de iones de litio se han convertido en la química de baterías recargables dominante en casi todas las industrias durante la última década. En muchos sentidos, el ion-litio es superior a las químicas populares anteriores (plomo-ácido, níquel-cadmio y alcalina).
Con el avance de la tecnología, una batería segura y potente tiene una gran demanda. El litio es el químico más denso en energía en uso, y también puede ser el más seguro con características adicionales. Debido a que la energía del litio es un tema candente de investigación, cada año surgen nuevos productos químicos.
Mejoras en la tecnología de baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio ayudaron a la revolución de la microelectrónica y ahora son la fuente de energía preferida para los dispositivos electrónicos portátiles. Su éxito en el mercado de la electrónica portátil se debe a que ofrecen densidades de energía gravimétrica y volumétrica superiores a otros sistemas recargables.
●Aumento del voltaje de las celdas
El deseo de aumentar la densidad de energía de las baterías de iones de litio aumentando el voltaje de funcionamiento, la capacidad de almacenamiento de carga o ambos ha despertado mucho interés. Debido a que el voltaje operativo actual del ánodo ya es cercano al de Li/Li+, la única forma de aumentar el voltaje de la celda es aumentar el voltaje operativo del cátodo.
Las tres estructuras de cátodo proporcionan composiciones con voltajes de operación superiores a los voltajes actualmente utilizados de 4,3 V vs Li/Li+, pero la superficie del cátodo con voltajes de operación superiores a 4,3 V es inestable en contacto con los solventes orgánicos EC, DEC, DMC y otros. utilizado en el electrolito.
●Aumento de la capacidad de almacenamiento de carga
Debido a que actualmente no existe una solución práctica para aumentar el voltaje operativo del cátodo, se está poniendo mucho énfasis en aumentar las capacidades de almacenamiento de carga tanto del ánodo como del cátodo. Los ánodos y cátodos que experimentan una reacción de conversión con litio en lugar de una reacción de inserción han recibido recientemente mucha atención en este campo.
Mientras que el número de sitios cristalográficos disponibles para la inserción/extracción reversible de litio limita la capacidad de los electrodos de reacción de inserción, los electrodos de reacción de conversión no están limitados de esta manera. Tienen capacidades que son hasta un orden de magnitud mayor.
A pesar de la densidad de energía limitada dictada por la cantidad de sitios cristalográficos disponibles, así como por las inestabilidades estructurales y químicas en una carga profunda, la tecnología actual de iones de litio basada en cátodos y ánodos de reacción de inserción continuará en el futuro previsible. Los ánodos y cátodos de reacción de conversión han recibido mucha atención porque tienen capacidades hasta un orden de magnitud más altas que los electrodos de reacción de inserción, pero se ha cuestionado su viabilidad práctica.
Recientemente, ha habido un interés renovado en el uso de metal de litio como ánodo y la sustitución de electrolitos líquidos con electrolitos sólidos, ya que estos pueden proporcionar celdas más seguras con voltajes operativos más altos y capacidad de almacenamiento de carga, pero solo el tiempo dirá si son prácticos.
Con los desafíos de las alternativas, una estrategia viable a corto plazo es centrarse en cátodos de óxido en capas con alto contenido de níquel, electrolitos líquidos compatibles y que formen SEI estable tanto en ánodos de grafito como en cátodos con alto contenido de Ni, innovaciones de ingeniería celular para fabricar electrodos más gruesos y reducir los componentes inactivos y la integración de sistemas novedosos para obtener baterías más seguras, duraderas y asequibles.
Empresas de tecnología de baterías de iones de litio
Los vehículos de combustión interna (ICE) están siendo desplazados por vehículos eléctricos (EV), al igual que los carruajes tirados por caballos alguna vez fueron desplazados por los vehículos ICE. Se requiere tecnología de batería de próxima generación y un suministro abundante de litio, la materia prima clave para las baterías de iones de litio, para impulsar esta transición a la energía eléctrica.
Los vehículos eléctricos representan actualmente el 24% de la demanda mundial total de litio. Se espera que este número aumente también. La electrónica, el almacenamiento de energía y otros dispositivos representarán el 21% restante. Las baterías de litio se utilizan cada vez más en telecomunicaciones, almacenamiento de energía, proyectos gubernamentales y juguetes.
Tesla es líder mundial en el uso de baterías de litio en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía. Tesla es uno de los mayores consumidores de litio del mundo, que utiliza en su creciente producción de vehículos eléctricos. Panasonic es uno de los tres principales fabricantes mundiales de baterías para vehículos eléctricos de Japón, y otro jugador importante en la tecnología de baterías de litio es el socio de Tesla desde hace mucho tiempo. En el sector de las telecomunicaciones, Samsung, Panasonic y LG también son líderes mundiales.
Reliance, Mahindra y Ola son algunas de las empresas que planean construir plantas de fabricación de baterías de litio en India para satisfacer la demanda de baterías de litio del país.
Las baterías de iones de litio alimentan las torres de telecomunicaciones de Reliance. Ambri y Reliance están en conversaciones para construir una gigafábrica de fabricación de baterías en India. Ambri es una empresa de baterías de metal líquido con sede en los Estados Unidos. Para mediados de 2022, Ola espera producir el 15% de los scooters eléctricos del mundo. En India, Adani, Suzuki, Mahindra, JSW y Hero están planificando plantas de baterías multimillonarias.
Química de la batería de iones de litio
Las reacciones que alimentan la batería utilizan iones de litio (Li+). En una celda de iones de litio, ambos electrodos están hechos de materiales que pueden intercalar o "absorber" iones de litio. Cuando los iones cargados de un elemento pueden "mantenerse" dentro de la estructura de un material huésped sin causar una interrupción significativa, esto se conoce como intercalación. Los iones de litio están 'atados' a un electrón dentro de la estructura del ánodo en una batería de iones de litio. Los iones de litio intercalados se liberan del ánodo y viajan a través de la solución electrolítica para ser absorbidos en el cátodo cuando la batería se descarga.
Cuando la batería está cargada, el cátodo sufre una reacción de oxidación, lo que resulta en la pérdida de ciertos electrones cargados negativamente. Un número igual de iones de litio intercalados cargados positivamente se desintegran en la solución electrolítica para mantener el equilibrio de carga en el cátodo.
Las reacciones de oxidación-reducción (Redox) ocurren dentro de una batería de iones de litio.
En el cátodo tiene lugar la reducción. El óxido de litio-cobalto se forma cuando el óxido de cobalto reacciona con los iones de litio (LiCoO2). La semirreacción es la siguiente:
CoO2 + Li+ + e- → LiCoO2
El ánodo es donde tiene lugar la oxidación. El grafito (C6) y los iones de litio están formados por el compuesto de intercalación de grafito LiC6. La semirreacción es la siguiente:
LiC6 → C6 + Li+ + e-
La reacción completa (de izquierda a derecha = descarga, de derecha a izquierda = carga) es la siguiente:
LiC6 + CoO2? C6 + LiCoO2
Las baterías de iones de litio han dominado el mercado de la electrónica portátil, están incursionando en el mercado de vehículos eléctricos y están listas para ingresar al mercado de servicios públicos para el almacenamiento de energía en la red.
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