Cuatro retos y soluciones para la densidad energética de las baterías de iones de litio

Sin embargo, algunos expertos han dado la voz de alarma a empresas chinas de baterías como litio top 100 recientemente, afirmando que la densidad energética de las actuales baterías de iones de litio se acerca al límite teórico.

El 9 de noviembre, en la Conferencia Internacional de Intercambio sobre Vehículos de Nuevas Energías y Baterías de Potencia, los expertos afirmaron que el desarrollo actual de la industria china de baterías de litio se enfrenta a grandes retos en cuatro aspectos: recursos, energía, seguridad y entorno de uso.

Cuatro retos para el desarrollo de las baterías de iones de litio

Consumo de recursos

Según los expertos, en la actualidad se utilizan 0,5 kg de litio para producir baterías de iones de litio de 1 kW. Según los datos del último estudio, las reservas mundiales de litio metálico son de unos 13,5 millones de toneladas (las reservas totales de recursos de litio son de unos 39,5 millones de toneladas), que sólo pueden utilizarse durante más de 100 años. Los recursos de litio de China ocupan el sexto lugar en el mundo. Los recursos son principalmente lagos salados.

El contenido de litio es bajo, la proporción entre magnesio y litio es alta y resulta difícil extraerlo. 70% de litio dependen de las importaciones. Se calcula que en 2025 la capacidad de producción de baterías de litio de China alcanzará unos 3.900 GWh, y se espera que requiera unas 390.000 toneladas de metal de litio.

La densidad energética de las baterías de iones de litio se acerca al límite teórico

La densidad energética de la batería está relacionada con el principio de la batería. Por ejemplo, la densidad energética de la batería de iones de litio está relacionada con el peso y la densidad del haz de electrones reactivos, material activo. Los expertos afirman que la densidad energética actual de las baterías de iones de litio se acerca a su límite.

Se sabe que la densidad energética de las baterías de fosfato de hierro y litio de corriente principal es inferior a 200 Wh/kg, y que la densidad energética de las baterías ternarias de litio se sitúa entre 200-300 Wh/kg. La densidad energética de las baterías de iones de litio está lejos de satisfacer las necesidades de los grandes desarrollos, lo que limita su aplicación en múltiples escenarios. Para mejorar la velocidad y la autonomía de equipos como la batería de drones, es necesario aumentar considerablemente la densidad energética y de potencia de las baterías.

Cabe mencionar que, justo el mes pasado, la NASA anunció que ha desarrollado con éxito una batería pura de estado sólido de azufre y selenio. El material del electrolito utiliza azufre barato y fácil de conseguir, no contiene líquido, y la densidad energética de la batería alcanza los 500 Wh/kg. Eso es aproximadamente el doble que la actual batería cilíndrica de iones de litio Tesla 4680. La NASA ha anunciado que la tecnología se extenderá a los aviones eléctricos en el futuro.

Los accidentes de seguridad con baterías de iones de litio son frecuentes

Las baterías de iones de litio son propensas al desbordamiento térmico. Las razones habituales incluyen la producción de gas inducida por sobrecarga en el material del cátodo de la batería para causar la batería hinchada, la carga rápida para provocar la precipitación de litio en el ánodo de la batería e inducir un cortocircuito, y la carga rápida para calentar rápidamente el líquido electrolítico hasta quemarlo.

Entorno de uso limitado de la batería

En un entorno de baja temperatura, la viscosidad del electrolito de la batería de iones de litio aumentará, la velocidad de migración de los iones será más lenta y la energía de carga y descarga disminuirá bruscamente. En condiciones de alta temperatura, las películas de interfaz positiva y negativa de la batería son inestables, lo que provoca la destrucción de la estructura del material, la producción de gas y la explosión. En escenarios de aplicación como el espacio profundo y el mar profundo, se requiere que las baterías tengan un rango de temperatura más alto y amplio.

Cómo innova la tecnología de las pilas de litio

Por ello, ante los cuatro grandes retos de los recursos, la energía, la seguridad y los entornos extremos, los expertos señalaron que, desde la perspectiva de la innovación tecnológica, hay que resolverlos a cuatro niveles: materiales, interfaces, transmisión y sistemas.

Materiales

En primer lugar, mejorar la densidad energética del sistema de baterías, incluida la construcción de baterías de alta capacidad. batería de alto voltaje cátodos y ánodos de alta capacidad y bajo voltaje. En la selección de materiales catódicos, se pasará del óxido de cobalto de litio al fosfato de hierro de litio, a materiales ternarios con alto contenido en níquel y, por último, a la dirección de elementos de azufre y oxígeno. En la selección de materiales de ánodo, desde el grafito existente, al silicio, y finalmente al metal de litio. Sin embargo, el uso de ánodos de metal de litio y cátodos de alto voltaje también plantea problemas de seguridad.

En el caso del electrodo negativo de litio metálico, la capacidad específica teórica del litio es muy alta, pudiendo alcanzar los 3000mAh/g, pero es fácil que se formen dendritas de litio durante el uso, perforen el separador de la batería y se forme un cortocircuito en la batería. Sin embargo, el material de alta tensión y alta capacidad específica del electrodo positivo es inestable, y la estructura del material del electrodo de alta tensión se daña fácilmente, y al mismo tiempo, el electrolito se descompone.

Interfaces

Los expertos señalaron que el litio metálico no es sólo el campo de la investigación básica, sino que la industria también ha realizado numerosos intentos experimentales, como la construcción de películas SEI artificiales, la construcción de electrodos negativos metálicos de estructura tridimensional y la regulación de la interfaz entre los electrodos de litio metálico y los electrolitos, mejorando así la vida útil de las baterías.

El objetivo final es añadir aditivos para controlar el proceso de crecimiento del material de modo que no se convierta en dendritas, pero la investigación y el desarrollo en este campo son muy difíciles y deben desarrollarse con vigor. En cuanto a los materiales catódicos, es necesario ajustar la estructura superficial de los materiales catódicos estratificados para reforzar el proceso de transporte de iones de litio, mejorando así significativamente la densidad energética y la densidad de potencia de las baterías de iones de litio.

Transferencia

Para mejorar aún más las prestaciones de seguridad de la batería, la investigación actual también incluye el refuerzo del proceso de "triple transferencia" en la batería de iones de litio. Incluye el fortalecimiento del canal de transporte de iones de litio y el mantenimiento de la estabilidad estructural del material a escala microscópica. Fortalecer los canales de transporte de electrones y mantener la red conductora de electrodos y baterías. Refuerza la transferencia de calor de la batería y suprime el desbordamiento térmico de la batería.

Sistemas

En la ruta de las baterías de litio de próxima generación, los expertos presentaron tecnologías como las baterías de litio-azufre, las baterías de litio-aire y las baterías de litio-fluorocarbono. En la perspectiva de la próxima generación de baterías que no sean de litio, los expertos también se inclinan por las baterías de iones de sodio. El sodio ocupa el sexto lugar en reservas en la Tierra y tiene propiedades químicas similares a las del litio. Sin embargo, debido al mayor radio atómico del sodio y a su menor potencial electroquímico, las baterías de iones de sodio presentan desventajas inherentes frente a las de iones de litio en términos de densidad energética.

El desarrollo de las baterías de iones de sodio exige avances en nuevos materiales para el almacenamiento de sodio y nuevos electrolitos. En la actualidad, se han industrializado algunos materiales tradicionales de carbono duro para ánodos, y también se han introducido en el mercado óxidos estratificados para cátodos y materiales de azul de Prusia. Pero las baterías de iones de sodio tienen que seguir mejorando su rendimiento, reducir costes y poder utilizarse a gran escala como las de iones de litio.