Soluciones de baterías de litio metal de alta energía para vehículos eléctricos

Antecedentes de la investigación

El mercado de los vehículos eléctricos (VE) requiere baterías de alta densidad energética y bajo coste. Entre las tecnologías de baterías recargables existentes, las baterías de iones de litio tienen la mayor densidad de energía, como por ejemplo baterías de litio para carritos de golf, batería de litio para vehículos recreativos. En cuanto al coste, el precio de las baterías comerciales de iones de litio es relativamente bajo. Sin embargo, para lograr la comercialización masiva, es crucial que los BEV alcancen una autonomía de más de 500 kilómetros y que el coste del coche sea inferior a 40.000 $.

Por desgracia, las baterías de iones de litio basadas en ánodos de grafito y ánodos de óxido de metal de transición de litio son casi imposibles de alcanzar densidades energéticas tan elevadas.

Presentación de los resultados

Recientemente, un artículo titulado "Opportunities and Challenges of High-Energy Lithium Metal Batteries for Electric Vehicle Applications" en ACS Energy Lett.

En términos de densidad energética y coste, la batería de litio metal tiene una enorme ventaja sobre la actual batería de iones de litio, lo que ofrece grandes oportunidades para los vehículos eléctricos de larga autonomía y bajo coste. En este artículo, los investigadores analizan los requisitos y retos de la batería de litio metal de alta densidad energética en los futuros paquetes de baterías y aplicaciones de sistemas para vehículos eléctricos, y destacan los últimos avances en estas áreas.

Lectura ilustrada

Para que los vehículos eléctricos sustituyan con éxito a los tradicionales con motor de combustión interna, la distancia recorrida y el precio son los factores más importantes a tener en cuenta, y otro factor importante es la duración de las baterías. A medida que aumenta la densidad energética de las baterías de litio metálico, se puede almacenar más energía en paquetes de baterías del mismo tamaño o peso. Debido a la mayor autonomía por carga, los requisitos de vida útil de la batería de litio metal pueden reducirse. Para aplicaciones de VE, la batería de litio metal requiere un ciclo de vida de al menos 500-1000 ciclos.

La larga vida cíclica de las LIB se debe a la formación de una capa estable de fase intermedia de electrolito sólido (SEI) sobre el ánodo de grafito, que impide que el electrolito se descomponga y desconche durante los ciclos. Sin embargo, a diferencia del grafito, el ánodo metálico de litio presenta grandes variaciones de volumen y morfológicas durante los repetidos procesos de recubrimiento o decapado.

Tres parámetros clave para las baterías de bolsas

Temperatura de funcionamiento

La temperatura tiene una gran influencia en la batería de litio metálico, y la cinética de reacción electroquímica y la conductividad iónica variarán con los cambios de temperatura. En condiciones extremas, pueden producirse problemas de seguridad como incendios, escapes de gas y explosiones.

Microtherm. Se ha descubierto que el rendimiento de la batería decae rápidamente por debajo de 0 °C. Se cree que esta atenuación se debe a una menor conductividad de los iones, una mayor resistencia a la transferencia de carga y una menor difusión de iones de Li a bajas temperaturas. A bajas temperaturas, se produce un recubrimiento de litio en el electrodo del ánodo.

Alta temperatura. Cuando funcionan a altas temperaturas, las baterías de iones de litio envejecen rápidamente, lo que se refleja en la rápida disminución de su capacidad y rendimiento. Las reacciones secundarias entre el cátodo y el electrolito y los cambios en el conjunto de electrodos inactivos son fundamentales para la degradación por envejecimiento a altas temperaturas.

Descarga y carga rápidas

La gran capacidad de aumento de la batería es fundamental para el rendimiento de un vehículo eléctrico. Para cualquier vehículo eléctrico, es necesario el frenado regenerativo o "repostaje" de un sistema de almacenamiento de energía de descarga rápida por impulsos y carga continua. Uno de los retos del funcionamiento a alta velocidad de las baterías de litio-metal es la generación de calor, que aumenta la temperatura de la batería, acelerando así su envejecimiento. Por otro lado, la morfología y reciclabilidad del ánodo de litio depende de la densidad de corriente de decapado y chapado.

Cambios de volumen de la batería. En primer lugar, la deposición y disolución de litio sin matriz hace que el ánodo de litio y toda la batería se expandan y contraigan periódicamente durante la carga y la descarga. Un cambio en el ánodo de litio provoca un cambio en el volumen de toda la batería de aproximadamente 15%. A medida que aumenta el grosor del cátodo y el exceso de litio, este cambio relativo de volumen disminuye. Para poder aplicar la tecnología de las baterías de litio metal a los vehículos eléctricos, el paquete de baterías debe diseñarse adecuadamente para adaptarse a este cambio periódico en el volumen de la batería.

Expansión de las pilas de bolsa en diferentes electrolitos

Expansión de las baterías de bolsa en diferentes electrolitos. Otro problema es la expansión irreversible de la batería tras un ciclo largo. La causa fundamental es el crecimiento de una estructura de litio en polvo suelto formada debido a la acumulación de SEI y partículas de litio "muertas" aisladas por SEI, que es el resultado de la reacción continua irreversible del litio y el electrolito.

Resultado de una reacción continua irreversible de litio y electrolito

Seguridad

La seguridad contra incendios de las baterías de litio-metal es una consideración importante para los vehículos eléctricos. Las baterías de litio metálico con alta densidad energética y alta inflamabilidad son sensibles a diversas condiciones, como vibraciones, colisiones, sobrecarga o sobredescarga, cortocircuitos externos, altas temperaturas, etc.

Las condiciones abusivas desestabilizarán la estructura y provocarán cortocircuitos internos, lo que desencadenará una reacción en cadena y conducirá a una fuga térmica, creando graves problemas de seguridad como humo, chorros de gas, combustión e incluso explosiones. Los fallos espontáneos de las baterías y los cortocircuitos internos también pueden provocar riesgos para la seguridad. Además, la formación de SEI suelto y litio "muerto" aplastado tras ciclos repetidos también puede plantear un problema de seguridad.

Soluciones de baterías de litio-metal de altas prestaciones de seguridad para vehículos eléctricos

Los retos que plantean las baterías de litio metal se derivan principalmente de los cambios estructurales del litio y de la inestabilidad de la SEI durante la circulación. La estrategia de solución se centra en tres direcciones principales, como la ingeniería de electrolitos, la ingeniería de interfaces de litio y la ingeniería de estructuras de litio.

Ingeniería electrolítica. Los distintos electrolitos tienen diferente estabilidad frente al litio y afectan en gran medida a las propiedades SEI y a la morfología de la deposición de litio, lo que da lugar a diferencias significativas en la eficiencia del culombio cíclico y en la expansión del ánodo de metal de litio. Además, el electrolito determina el rango de temperaturas de funcionamiento de la LMB, el rendimiento de alto aumento y la seguridad de la batería.

Electrolito licuado de litio - ánodo metálico

Ciertos aditivos de haluro de litio y sales de Cs y Rb pueden lograr la deposición de litio sin dendritas bajo diferentes mecanismos de trabajo, mejorando la seguridad. Por otra parte, además de los disolventes convencionales, se ha desarrollado un electrolito licuado para ánodo metálico de litio.

Circulación eficiente sin dendritas de ánodos de litio

Es probable que las baterías de estado totalmente sólido (ASSB) sean más caras de fabricar que las LMB con electrolitos líquidos. Por ello, el desarrollo de las ASSB basadas en litio metal se encuentra aún en una fase temprana. Si quiere saber cuál es el empresas de baterías de estado sólido tiene, puede hacer clic en el enlace para averiguarlo.

Ingeniería de interfaces. Idealmente, la SEI del litio debería ser fina y uniformemente densa, muy elástica, altamente iónica, pero poco conductora de la electricidad. Puede soportar grandes cambios de volumen y permite que el Li+ lo atraviese rápidamente al tiempo que evita la descomposición del electrolito, lo que permite una circulación eficaz sin dendritas del ánodo de litio. El SEI, que se forma de forma natural por descomposición del electrolito, difícilmente puede cumplir todos estos requisitos. Por lo tanto, el recubrimiento de la superficie con una capa protectora o SEI artificial en el ánodo de litio es un método eficaz.

Ingeniería de estructuras de litio. Para minimizar las variaciones de volumen en el electrodo negativo de los metales de litio, se han introducido algunos colectores 3D o estructuras principales estables con litio prealmacenado. Aumentar la superficie activa de litio del colector y la estructura del cuerpo para reducir la densidad de corriente local, mejorando así el rendimiento del aumento e inhibiendo la dendrita de litio mediante la homogeneización del flujo de iones.

Comportamiento autodeslizante de la deposición de litio en un ánodo de estructura tridimensional Li-C

Estrategia de montaje de baterías

Para aplicaciones de vehículos eléctricos, la batería de litio metal siempre se ensambla en forma de módulo, incluyendo cientos o miles de baterías de gran tamaño. Por tanto, se requiere un sistema de gestión de la batería, esencial para su funcionamiento seguro. En el caso de las baterías de litio-metal, los investigadores creen que el sistema de gestión de baterías debe incluir al menos tres funciones, como la detección previa avanzada, la gestión de la presión y la gestión térmica.

Predetección avanzada. Las funciones de control del estado de las baterías que se utilizan actualmente en los vehículos eléctricos distan mucho de ser capaces de detectar fallos inminentes de las baterías. Sin embargo, en el caso de los paquetes de baterías a base de metal de litio, es necesario disponer de una tecnología de monitorización en línea no destructiva para encontrar las baterías que están a punto de fallar. La medición de la impedancia se ha propuesto como un método eficaz, pero aún se necesitan estudios más sistemáticos.

Gestión del estrés. Se ha descubierto que la presión óptima también depende del electrolito. Por lo tanto, la estructura de la batería con sistema de gestión de la presión está diseñada para supervisar o controlar la presión dentro del rango óptimo no sólo mejora el rendimiento de la batería, sino que también facilita el funcionamiento seguro de la batería.

Gestión térmica. Gestión del embalamiento térmico de baterías individuales y de paquetes de baterías para evitar posibles riesgos para la seguridad de las baterías o de los paquetes de baterías durante su almacenamiento o funcionamiento. Los principales contenidos de la investigación y el desarrollo incluyen la distribución de la temperatura, los sensores, la transferencia de calor y el control del sistema de gestión de baterías, etc.

Resumen y perspectivas

Se espera que la batería de litio metal de alta energía se utilice en vehículos eléctricos de larga autonomía y bajo coste, pero se enfrenta a serios retos para lograr una larga vida útil, una baja variación de volumen, una alta seguridad y un funcionamiento fiable a temperaturas extremas.