¿Cuáles son las características de las baterías de iones de litio-?
Capacidad y fuerza electromotriz de los materiales de baterías de iones de litio-
Durante la reacción de carga-descarga de las baterías de iones de litio-, solo los materiales activos de los electrodos positivo y negativo experimentan reacciones de intercalación/desintercalación de iones de litio-, mientras que el electrolito y otros materiales no se consumen. Por lo tanto, el potencial al que los materiales de los electrodos positivo y negativo intercalan/desintercalan reversiblemente iones de litio determina el voltaje del circuito abierto-de la batería, y la cantidad de iones de litio que se intercalan/desintercalan determina la capacidad del material activo. Muchos fabricantes y proveedores mundiales de baterías de iones de litio-confían en estas características de los materiales para lograr una producción en masa estable y un rendimiento constante del producto.
Para el electrodo negativo, la reacción ocurre según la Ecuación (1.2). Por mol de carbono (12 g) se pueden intercalar como máximo 1/6 mol de iones de litio. Por lo tanto, la capacidad teórica específica del material del electrodo de carbono negativo es
1/6(mol)×96485(Constante de Faraday, C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)
En el uso diario, considerando la pérdida de litio debido a la adsorción y la formación de la película de interfase de electrolito sólido (SEI), la capacidad específica real alcanzable de los materiales de carbono es de 300 a 345 mAh/g. Los proveedores líderes de paquetes de baterías de iones de litio-alcanzan este nivel mediante una formulación de grafito optimizada y procesos de recubrimiento precisos.
Para el material del electrodo positivo, su capacidad depende de la cantidad de iones de litio que se pueden extraer/insertar. Tomando como ejemplo el LiCoO₂, en la reacción pueden participar hasta 1 mol de iones de litio por cada mol de LiCoO₂. Por lo tanto, la capacidad específica teórica del LiCoO₂ (masa molecular relativa 97,86) es
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)
En la práctica, para mantener la estabilidad cristalina del material LiCoO₂, generalmente sólo entre el 30% y el 60% de los iones de litio participan en la reacción. Por lo tanto, la capacidad específica real del material LiCoO₂ es de 137 a 164 mAh/g. Los principales fabricantes OEM de baterías de iones de litio-controlan la profundidad de carga y descarga a través de BMS avanzado para maximizar el ciclo de vida y al mismo tiempo garantizar la seguridad.
Para el fosfato de litio y hierro, 1 mol de iones de litio por mol de fosfato de litio y hierro puede participar plenamente en la reacción. Por lo tanto, la capacidad específica teórica y real del material de fosfato de hierro y litio (masa molecular relativa 157,8) es
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)
En la naturaleza, el potencial redox estándar de Li/Li⁺ es el más bajo y alcanza -3,04 V (frente al electrodo de hidrógeno estándar). Para materiales de electrodos de carbono negativo, el potencial de extracción e inserción de iones de litio está cerca del potencial de equilibrio Li/Li⁺. Según la teoría electroquímica, a temperatura ambiente, el potencial del electrodo E del electrodo de carbono negativo es
E=E grado + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
dónde
Potencial de electrodo estándar de grado E -;
C(Li⁺) - concentración de iones de litio en la solución de electrolito;
C(Li,C₆) - concentración de iones de litio en el carbono del electrodo negativo.
Cuando la concentración de iones de litio en la solución y en el carbono del electrodo negativo son cercanas, el potencial del electrodo negativo es igual al potencial de reducción estándar E grado. Generalmente, la concentración de iones de litio en el electrolito es fija, por lo que los cambios en la concentración de iones de litio en el carbono del electrodo negativo provocarán cambios en el potencial del electrodo negativo. Actualmente no existe ningún método universal para calcular el potencial de equilibrio preciso de Li/C₆ con valores de x variables. Generalmente se determina experimentalmente. Los experimentos muestran que el potencial de delitiación de los materiales a base de grafito-generalmente varía entre 0 y 0,4 V (frente a Li/Li⁺), lo que los convierte en materiales de electrodos negativos relativamente adecuados para aplicaciones. La Figura 1.2 muestra la curva característica típica de carga-descarga de un electrodo negativo de grafito.
Para el material de electrodo positivo de LiCoO₂, el proceso de intercalación/desintercalación de litio es una reacción monofásica. A medida que cambia la concentración de iones de litio en el material del electrodo positivo, también cambia el potencial del electrodo positivo. Considerando que la concentración de iones de litio en el electrolito es 1 mol/L, para la reacción de la Ecuación (1.1), el potencial positivo del electrodo E es
E=E grado + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)
dónde
Potencial de electrodo estándar de grado E -;
C(LiCoO₂)- concentración de LiCoO₂ en el material del electrodo positivo;
C(Li⁺,CoO₂)- concentración de Li⁺ y CoO₂ en el material del electrodo positivo;
A medida que se extraen los iones de litio, el potencial positivo del electrodo muestra una tendencia a la baja.
El proceso de carga-descarga del material de fosfato de hierro y litio es la conversión de fosfato de hierro y litio a fosfato de hierro después de la delitiación.
La reacción en el electrodo de fosfato de hierro y litio es
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
Su proceso de intercalación/desintercalación de iones de litio-es una reacción de dos-fases. Por lo tanto, los cambios en la concentración de iones de litio en el material del electrodo positivo no afectan el cambio de potencial del electrodo positivo. Su potencial de equilibrio es
E=E grado + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
La concentración de sólidos puros es 1. Según sus parámetros termodinámicos, el potencial de equilibrio teórico es 3,4 V.
La curva característica típica de carga-descarga del material de fosfato de hierro y litio se muestra en la Figura 1.3.
Características de rendimiento de las baterías-de iones de litio
En comparación con otras baterías, las baterías de iones de litio-tienen las siguientes características que son ampliamente reconocidas por los distribuidores de baterías de iones de litio-y los clientes industriales:
Alta densidad de energía.La densidad energética de las baterías de iones de litio-alcanza 100 W·h/kg y 200 W·h/L o más. Las baterías de iones de litio-de cátodo ternario recientes han alcanzado una energía específica de masa de 200 W·h/kg. Utilizando materiales anódicos con alto contenido de -níquel-silicio-y materiales catódicos ricos en litio-, se espera que la energía específica de masa alcance los 400 W·h/kg y la densidad de energía volumétrica los 900 W·h/L, superando con creces las baterías tradicionales. Por lo tanto, las baterías de iones de litio-se utilizan ampliamente en productos electrónicos portátiles y vehículos eléctricos.
Alto voltaje del circuito abierto-.Debido al uso de disolventes orgánicos no-acuosos, el voltaje de una sola-celda alcanza entre 3,6 y 3,8 V, que es entre 2 y 3 veces mayor que el de las baterías de níquel-hidruro metálico o níquel-cadmio. El uso eficaz de materiales catódicos de alto-voltaje puede aumentar el voltaje de funcionamiento de una sola celda a 4,5-5 V, que es una de las razones importantes de la alta densidad de energía de las baterías de iones de litio-.
Capaz de carga y descarga de alta-tasa.Por ejemplo, todas las baterías-sólidas-de iones de litio-que utilizan electrolitos poliméricos pueden alcanzar velocidades de descarga superiores a 10 °C con buena seguridad; Las baterías de iones de litio-que utilizan fosfato de hierro y litio como cátodo pueden alcanzar una descarga de 100 °C.
Baja tasa de auto-descarga.A temperatura ambiente, la tasa de autodescarga mensual de las baterías de iones de litio-es generalmente inferior al 10 %, menos que la de las baterías de níquel-hidruro metálico (15 %) y la mitad que la de las baterías de níquel-cadmio. La tasa de autodescarga de las baterías de fosfato de hierro y litio es generalmente inferior al 3 %.
Respetuoso con el medio ambiente,No contiene plomo, cadmio, mercurio u otras sustancias nocivas y no contamina el medio ambiente.
Sin efecto memoria.El efecto de memoria se refiere al fenómeno en el que la capacidad de la batería disminuye cuando se recarga antes de descargarse por completo o se utiliza antes de cargarse por completo (el efecto de memoria no es una disminución de la capacidad). Las baterías de iones de litio-no tienen efecto memoria.
Buena seguridad.Las baterías de iones de litio-generalmente utilizan materiales de carbono como electrodo negativo, que tiene un potencial de electrodo cercano al del litio metálico. Los iones de litio pueden intercalarse y desintercalarse reversiblemente en carbono, lo que reduce en gran medida la probabilidad de deposición de metal litio y mejora significativamente la seguridad de la batería. En los últimos años, los aditivos retardantes de llama-, los separadores-ignífugos, los dispositivos PTC (coeficiente de temperatura positivo), las válvulas-a prueba de explosiones, los sistemas de gestión de baterías y otras tecnologías han garantizado una seguridad extremadamente alta de las baterías de iones de litio-.
Vida de ciclo largo.El ciclo de vida de las baterías de iones de litio-es generalmente de más de 500 ciclos. El ciclo de vida de las baterías de fosfato de hierro y litio es generalmente de 2000 a 3000 ciclos. Cuando se combinan con sistemas de materiales anódicos con alta capacidad de ciclo (como el titanato de litio), se pueden lograr más de 10 000 ciclos. Esto hace que las baterías de fosfato de hierro y litio sean la mejor opción para sistemas de baterías de almacenamiento de energía y proyectos de ESS a gran-escala.
