Clasificación de las baterías de iones de litio desde la perspectiva de los materiales

(Clasificación de las baterías de iones de litio desde la perspectiva de los materiales)

Al igual que las baterías de plomo y níquel, las baterías de iones de litio utilizan un electrodo positivo (cátodo), un electrodo negativo (ánodo) y un electrolito como conductor. El cable positivo es un óxido metálico y el electrodo negativo está compuesto de grafito poroso. Durante la descarga, los iones de litio se mueven del electrodo negativo al electrodo positivo a través del electrolito y el separador; durante la carga, los iones de litio fluyen del electrodo positivo al electrodo negativo en direcciones opuestas.

 

Cuando la batería se carga y se descarga, el Li+ se desplaza entre los electrodos positivo y negativo, durante la descarga, el ánodo se oxida, pierde electrones, y el cátodo se reduce para obtener partículas; durante la carga, la carga se mueve en dirección opuesta.

 

Existen muchos tipos de baterías de iones de litio, según el material del electrodo. Pero, al elegir diferentes materiales, el rendimiento de la batería variará enormemente.

 

Todos los materiales de los electrodos positivos contienen Li+. El óxido de litio y cobalto común (óxido de litio y cobalto), el óxido de litio y manganeso (también conocido como espinela o manganato de litio), el fosfato de litio y hierro, el material ternario de níquel, cobalto y manganeso (NMC) [3] y el óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA). Todos estos materiales tienen un límite superior de energía teórico (el ion de litio tiene una capacidad teórica de unos 2000 kWh, que es más de diez veces la energía específica de una batería de ion de litio comercial).

 

La batería de iones de litio original de Sony utiliza coque (un producto del carbón) como material de electrodo nocivo. Desde 1997, la mayoría de los fabricantes de baterías de iones de litio, incluida Sony, han convertido los materiales del ánodo en grafito, lo que da como resultado una curva de descarga plana. El grafito es una forma de carbono que se utiliza en los lápices. Puede almacenar bien los iones de litio durante la carga y tiene un ciclo largo y una estabilidad excelente. De los materiales de carbono, el grafito es el más común, seguido del carbono duro y el carbono blando. Otros carbonos, como los nanotubos de carbono, aún no han encontrado su uso comercial. La siguiente figura compara las curvas de descarga de voltaje de una batería de iones de litio moderna con grafito como electrodo negativo y una batería de iones de litio con un electrodo negativo de coque antiguo.

 

En el rango de descarga de funcionamiento normal, la batería debe tener una curva de voltaje plana, lo que es mejor que la anterior.

 

Los materiales de los ánodos también están evolucionando y los investigadores experimentan continuamente con nuevos materiales, incluidas las aleaciones a base de silicio. En esta aleación, seis átomos de carbono están unidos a un ion de litio, y un átomo de silicio puede unir cuatro iones de litio. Esto significa que el electrodo negativo de silicio puede almacenar teóricamente diez veces la energía del material de grafito. En la actualidad, los materiales de silicio han aumentado entre un 20% y un 30% en capacidad específica a costa de reducir el potencial de carga y la vida útil. Sin embargo, el problema es que durante el proceso de carga, los iones de litio se expanden fácilmente en volumen después de incrustarse en el material a base de silicio (creciendo hasta más de cuatro veces el tamaño inicial).

 

La sal de titanato de litio nanoestructurada tiene una buena vida útil y capacidad de carga, un excelente rendimiento a baja temperatura y un rendimiento de seguridad funcional como material de electrodo nocivo. Aun así, su función específica es baja y el costo es alto.

(Clasificación de las baterías de iones de litio desde la perspectiva de los materiales)