Introducción a las baterías-de litio
Principio de funcionamiento de las baterías-de iones de litio
Una batería-de iones de litio consta principalmente de un electrodo positivo, un electrodo negativo, un electrolito que conduce iones de litio y unseparadory carcasa que separa los electrodos positivo y negativo. El material del electrodo positivo es generalmente un compuesto que permite la inserción y extracción reversible de iones de litio, como óxido de litio y cobalto (LiCoO₂), óxido de litio y níquel (LiNiO₂), óxido de litio y manganeso (LiMn₂O₄) o materiales ternarios (LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂). El electrolito está compuesto de sales de litio (las sales de litio comunes incluyen LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB, etc.) disueltas en un disolvente específico (principalmente una mezcla de carbonato de etileno (EC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de propileno (PC), etc., en una determinada proporción). El material separador es generalmente una resina de poliolefina, que comúnmente utiliza membranas microporosas de polipropileno (PP) y polietileno (PE) de una sola capa o de múltiples capas, como el separador Celgard 2300. El electrodo negativo normalmente utiliza materiales capaces de intercalar litio, como coque de petróleo, grafito puro y carbono mixto con grafito en capas. La reacción en una batería de iones de litio-que utiliza carbono (C₆) como electrodo negativo y óxido de metal de transición LiMeO₂ como electrodo positivo es la siguiente.
Durante la carga:
Durante el alta:
Durante la carga, los iones de litio se liberan del electrodo positivo y se insertan en el electrodo negativo; Durante la descarga, los iones de litio se liberan del electrodo negativo y se insertan en el electrodo positivo. En otras palabras, durante la carga y descarga, los iones de litio se mueven hacia adelante y hacia atrás entre los electrodos positivo y negativo, como una mecedora. Por lo tanto, las baterías de iones de litio-también se denominan "baterías de mecedora". Su principio de funcionamiento se puede ilustrar en la Figura 1.1.
En condiciones normales de carga y descarga, la inserción y extracción de iones de litio entre materiales de carbono en capas y partículas de óxido o entre capas en baterías de iones de litio-generalmente solo provoca cambios en el espacio entre capas y no daña la estructura cristalina. Durante la carga y descarga, las estructuras químicas de los materiales de los electrodos positivos y negativos permanecen esencialmente sin cambios. Por lo tanto, desde la perspectiva de la reversibilidad de la reacción de carga-descarga, la inserción y extracción de iones de litio en los materiales de la batería es un proceso de reacción ideal. Según estas características, las baterías de iones de litio-tienen un rendimiento superior a las baterías de níquel-cadmio y níquel-metal hidruro.
Clasificación de baterías de iones de litio-
Las baterías de iones de litio-se pueden clasificar según el material del cátodo utilizado, la apariencia y el tamaño, el método de fabricación de la celda, el tipo de embalaje y las características de la aplicación.
Según el material del cátodo utilizado, las baterías de iones de litio-se pueden dividir en baterías de óxido de cobalto y litio, baterías de óxido de manganeso y litio, baterías de litio ternarias y baterías de fosfato de hierro y litio.
Las baterías de óxido de litio y cobalto tienen un voltaje nominal de 3,7 V y un rango de voltaje de funcionamiento de 2,4 ~ 4,2 V. Las baterías de óxido de litio y cobalto tienen una estructura estable, una alta capacidad específica y un rendimiento general sobresaliente, pero su seguridad es deficiente y su costo alto, y se utilizan principalmente en celdas-de tamaño pequeño y mediano. En los últimos años, se han desarrollado materiales de óxido de cobalto y litio de alto-voltaje, que pueden aumentar el voltaje límite superior de la batería a 4,3 V o 4,35 V, mejorando así eficazmente la capacidad de la batería y la densidad de energía. Actualmente, las baterías de óxido de litio y cobalto tienen la densidad de energía volumétrica más alta, alcanzando los 550 Wh/kg, lo que las convierte en la única opción para alimentar teléfonos móviles-de alta gama y otros productos electrónicos.
Las baterías de óxido de litio y manganeso (MMANO) tienen un voltaje nominal de 3,8 V y un rango de voltaje de funcionamiento de 2,5 V a 4,2 V. El voltaje de protección contra sobrecarga es de 4,28 V ± 0,025 V y el voltaje de protección contra sobrecarga es de 2,5 V ± 0,1 V. Las baterías MMANO son económicas-y ofrecen buena seguridad. Sin embargo, el material de óxido de litio y manganeso en sí es relativamente inestable y propenso a descomponerse, produciendo gas e hinchazón. Su ciclo de vida disminuye relativamente rápido, su vida útil es relativamente corta y su rendimiento a altas-temperaturas es deficiente. Se utiliza principalmente en celdas de bajo-coste y tamaño mediano-a-grande-para fabricar baterías eléctricas.
Las baterías ternarias de iones de litio-(TLC) tienen un voltaje nominal de 3,6 V y un rango de voltaje de funcionamiento de 2,75 V a 4,2 V. El voltaje de protección contra sobrecarga es de 4,28 V ± 0,025 V y el voltaje de protección contra sobrecarga es de 2,75 V ± 0,1 V. Las baterías TLC tienen un buen rendimiento general, son más baratas que las de óxido de litio y cobalto (LCO) y ofrecen mayor seguridad. Se pueden utilizar en baterías eléctricas y su participación de mercado en el mercado de materiales catódicos aumenta año tras año. Las pequeñas baterías de iones de litio-que utilizan materiales ternarios de iones de litio- están siendo aceptadas gradualmente en el mercado. Los materiales ternarios también se pueden mezclar con óxido de litio y cobalto y óxido de litio y manganeso para su uso en baterías con carcasa de acero, con carcasa de aluminio, de bolsa, de polímero y de iones de litio cilíndricas-, lo que puede reducir significativamente los costos de la batería y mejorar el rendimiento general. Actualmente, las baterías de material ternario pueden alcanzar una densidad de energía de 180 Wh/kg (las baterías con carcasa de acero-26650 pueden alcanzar una capacidad de 4600 mAh/kg con un peso de 90 g), lo que ofrece una clara ventaja en términos de rentabilidad-.
Las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) tienen un voltaje nominal de 3,2 V y un rango de voltaje de funcionamiento de 2,5 ~ 3,75 V. El voltaje de protección contra sobrecarga es de 3,75 V ± 0,025 V y el voltaje de protección contra sobrecarga - es de 2,5 V ± 0,1 V. La mayor ventaja de las baterías LFP es la estabilidad y la no-descomposición del material del electrodo positivo, lo que les brinda una seguridad incomparable en comparación con otros sistemas de material de electrodo positivo. Las baterías LFP tienen un ciclo de vida prolongado, abundantes en recursos y respetuosas con el medio ambiente. Sin embargo, tienen una plataforma de descarga baja y un rendimiento deficiente a baja-temperatura.
Según su apariencia y tamaño, las baterías-de litio se pueden dividir en baterías cilíndricas y baterías prismáticas, etc.
Según el método de fabricación de las celdas, las baterías-de litio se pueden dividir en baterías enrolladas (devanadas cilíndricas y planas), baterías apiladas, etc.
Según el tipo de material de embalaje, las baterías de iones de litio-se pueden dividir en baterías con carcasa de acero-, baterías con carcasa de aluminio-, baterías con carcasa de plástico-, baterías-blandas, etc.
Según las características de la aplicación, las baterías de iones de litio-se pueden dividir en baterías de alta-temperatura, baterías de baja-temperatura, baterías de potencia y baterías de capacidad, etc.
Según sus áreas de aplicación, las baterías de iones de litio-se pueden clasificar en: baterías de respaldo, baterías de energía y baterías de almacenamiento de energía.
Aplicaciones de las baterías de iones de litio-
Se puede decir que desde la invención de la batería, ningún otro producto de batería se ha utilizado con tanta rapidez y amplitud como la batería de iones de litio-. Desde la fuente de alimentación del reloj para las CPU de las computadoras hasta los grandes paquetes de baterías de iones de litio-utilizados en automóviles y submarinos, la diferencia de capacidad es de más de 10 millones de veces. Tienen amplias aplicaciones en la vida diaria, equipos médicos, vehículos eléctricos, centrales eléctricas de almacenamiento de energía, aeroespacial y militar.
Después de más de 10 años de popularización, las baterías-de litio se han convertido en el único sistema de energía ampliamente utilizado en productos digitales como teléfonos móviles y portátiles. Debido a su alta energía específica, también se utilizan ampliamente en herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas, autobuses eléctricos, centrales eléctricas de almacenamiento de energía eólica y solar, estaciones base de comunicaciones móviles, fuentes de alimentación para lámparas de minería, fuentes de alimentación para cápsulas de rescate en minería, fuentes de alimentación para soldados individuales militares, radios, baterías de satélite y muchas otras aplicaciones. Según las estadísticas, en 2011, el tamaño del mercado de la industria de baterías de litio de China alcanzó los 39,7 mil millones de yuanes, un aumento interanual del 43%, y la producción anual de baterías de litio alcanzó los 2,97 mil millones de unidades, un aumento interanual del 28,6%. La industria de las baterías de litio se ha convertido en una importante dirección industrial de la economía nacional²¹.
