Las últimas ocho tendencias de desarrollo en la industria de las baterías de litio

Aunque las baterías de iones de litio tienen ventajas que otras baterías no pueden igualar, todavía no son capaces de rendir en las baterías de iones de litio existentes. Por ello, el desarrollo de nuevas baterías de iones de litio con mayor densidad energética se ha convertido en la tarea más urgente para la industria de las baterías de litio. Aprovechemos este artículo para conocer los últimos 8 avances en la industria de las baterías de litio.

Batería de iones de litio de estado sólido

El electrolito de las baterías de iones de litio comerciales actuales es líquido, por lo que también se denominan baterías de iones de litio líquidas. En pocas palabras, una batería de iones de litio totalmente de estado sólido significa que todos los componentes de la estructura de la batería existen en forma sólida, sustituyendo el electrolito líquido y el diafragma de una batería de iones de litio tradicional por un electrolito de estado sólido.

En comparación con las baterías de iones de litio líquidas, los electrolitos totalmente sólidos presentan las siguientes ventajas:
● Alta seguridad/excelente estabilidad térmica, puede trabajar normalmente a 60-120°C durante mucho tiempo;
● Amplia ventana electroquímica, puede alcanzar más de 5V, puede coincidir con materiales de alto voltaje;
● Sólo conducen iones de litio pero no electrones;
● Sistema de refrigeración sencillo y alta densidad energética;
● Puede aplicarse en el campo de las baterías flexibles ultrafinas.

Pero las desventajas también son obvias: la conductividad iónica por unidad de superficie es baja, y la potencia específica es escasa a temperatura ambiente; el coste es extremadamente caro; es difícil producir industrialmente baterías de gran capacidad.

El rendimiento de los materiales electrolíticos determina en gran medida la densidad de potencia, la estabilidad de ciclo, el rendimiento de seguridad, el rendimiento a alta y baja temperatura y la vida útil de las baterías de iones de litio de estado sólido. Los electrolitos sólidos pueden dividirse en dos categorías: electrolitos poliméricos y electrolitos inorgánicos. Batería de estado sólido es reconocida como una tecnología de baterías innovadora para la próxima generación de desarrollo clave. Se cree que en un futuro próximo, la tecnología será cada vez más madura y se resolverán estos problemas.

Batería de material ternario de alta densidad energética

Con la búsqueda de la densidad energética de las baterías, los materiales de cátodo ternario han atraído cada vez más atención. El material de cátodo ternario tiene las ventajas de una alta capacidad específica, un buen rendimiento de ciclo y un bajo coste, y generalmente se refiere a una estructura en capas de material de óxido de níquel-cobalto-litio-manganeso. Aumentando el voltaje de la batería y el contenido de níquel en el material, se puede incrementar eficazmente la densidad energética del material de cátodo ternario.

Otra forma de aumentar la densidad energética de los materiales ternarios es aumentar el contenido de níquel en el material. En términos generales, los materiales catódicos ternarios con alto contenido en níquel se refieren a la fracción molar de níquel en el material es superior a 0,6. Estos materiales ternarios tienen las características de alta capacidad específica y bajo coste, pero tienen baja retención de capacidad y poca estabilidad térmica.

El rendimiento de este material puede mejorarse eficazmente mejorando el proceso de preparación. El tamaño micro-nano y la morfología tienen una gran influencia en el rendimiento de los materiales catódicos ternarios de alto contenido en níquel. Por ello, la mayoría de los métodos de preparación actuales se centran en la dispersión uniforme para obtener partículas esféricas de pequeño tamaño y gran superficie específica.

Ánodo de silicio-carbón de alta capacidad

Como parte importante de las baterías de iones de litio, los materiales de los ánodos afectan directamente a indicadores clave como la densidad de energía, la duración del ciclo, la seguridad y el rendimiento de la batería. El silicio es conocido actualmente como el material de ánodo para baterías de iones de litio con mayor capacidad específica.

Sin embargo, debido a su efecto de volumen de más de 300%, el material del electrodo de silicio se pulverizará y se despegará del colector de corriente durante la carga y la descarga, de modo que se perderá el contacto eléctrico entre el material activo y el material activo, y entre el material activo y el colector de corriente.

Al mismo tiempo, se forma continuamente una nueva capa de electrolito sólido SEI, lo que finalmente conduce al deterioro del rendimiento electroquímico. Con el fin de resolver este problema, los investigadores han hecho un montón de exploraciones e intentos, entre ellos, los materiales compuestos de silicio-carbono son materiales prometedores.

Como material del ánodo de las baterías de iones de litio, los materiales de carbono presentan pequeños cambios de volumen durante la carga y la descarga, una buena estabilidad de ciclo y una excelente conductividad, por lo que se suelen utilizar compuestos con silicio. Se utiliza un compuesto de silicio-carbono, y la porosidad de los materiales de carbono sirve para contener y amortiguar la expansión de volumen de los centros activos de silicio, evitar la aglomeración de partículas, impedir que el electrolito penetre en el centro y mantener la estabilidad de la interfaz y la película SEI.

Materiales ricos en litio de alta tensión y gran capacidad

La base de manganeso rica en litio tiene una alta capacidad específica de descarga, que es aproximadamente el doble de la capacidad real de los materiales catódicos utilizados actualmente, por lo que se utiliza ampliamente en materiales para baterías de litio. Además, como el material contiene una gran cantidad de elementos Mn, es más respetuoso con el medio ambiente, más seguro y más barato que el LiCoO2 y los materiales ternarios. Por lo tanto, muchos estudiosos consideran que los materiales a base de manganeso ricos en litio son una opción ideal para la próxima generación de materiales de cátodos de baterías de iones de litio.

En la actualidad, el método de coprecipitación se utiliza principalmente para preparar materiales a base de manganeso ricos en litio. Aunque este material tiene una alta capacidad específica, todavía existen algunos problemas en su aplicación práctica. Los problemas antes mencionados de los materiales ricos en litio a base de manganeso pueden resolverse adoptando medidas como el recubrimiento de óxido metálico, la composición con otros materiales catódicos, el tratamiento superficial, la estructura especial y el tratamiento de precarga y descarga con un voltaje de límite superior bajo.

Electrolito resistente a la alta tensión

Aunque cada vez se presta más atención a los materiales para baterías de litio de alto voltaje, en la producción y aplicación reales, estos materiales para cátodos de alto voltaje aún no consiguen buenos resultados. El mayor factor limitante es la baja ventana de estabilidad electroquímica de los electrolitos basados en carbonatos. El desarrollo de un sistema electrolítico capaz de soportar altas tensiones se ha convertido en una parte importante del fomento de la aplicación práctica de este nuevo material.

La mejora de la estabilidad de la interfaz electrodo/electrolito mediante el desarrollo y la aplicación de nuevos sistemas de electrolitos de alta tensión o aditivos formadores de películas de alta tensión es una forma eficaz de desarrollar electrolitos de alta tensión. Los aditivos para mejorar la capacidad de soportar tensión del electrolito incluyen generalmente aditivos que contienen boro, fósforo orgánico, carbonato, azufre, líquido iónico y otros tipos de aditivos.

Separador resistente a altas temperaturas

El litio separador de batería desempeña principalmente la función de conducir los iones de litio y aislar el contacto electrónico entre el cátodo y el ánodo en la batería de iones de litio. Es un componente importante que ayuda a la batería a completar el proceso electroquímico de carga y descarga.

Durante el uso de baterías de litio, cuando la batería se sobrecarga o aumenta la temperatura, el separador debe tener suficiente estabilidad térmica para aislar eficazmente el contacto entre los electrodos positivo y negativo de la batería y evitar accidentes como cortocircuitos, embalamiento térmico o incluso explosiones.

En la actualidad, los separadores de poliolefina más utilizados tienen bajos puntos de fusión y temperaturas de reblandecimiento, lo que dificulta garantizar eficazmente la seguridad de las baterías, mientras que su baja porosidad y baja energía superficial limitan el rendimiento de la tasa de rendimiento de la batería. Por lo tanto, es muy importante desarrollar enérgicamente separadores resistentes a altas temperaturas con una elevada seguridad.

Batería de litio-azufre

Una batería de litio-azufre utiliza azufre como cátodo de la batería y litio metálico como ánodo. La mayor diferencia con las baterías generales de iones de litio es que el mecanismo de reacción de las baterías de litio-azufre es una reacción electroquímica en lugar de la desintercalación de iones de litio. El principio de funcionamiento de las baterías de litio-azufre se basa en reacciones electroquímicas complejas y, hasta ahora, no se han caracterizado de forma rompedora los productos intermedios que se forman durante la carga y descarga de los electrodos de litio-azufre、.

La mayor ventaja de las baterías de litio-azufre reside en su elevada capacidad específica teórica y su energía específica, muy superiores a las de otros tipos de baterías de iones de litio ampliamente utilizadas en el mercado. Además, debido a las abundantes reservas de azufre elemental, esta batería es barata y respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, las baterías de litio-azufre también tienen algunas desventajas.

Los principales métodos para resolver estos problemas suelen partir de dos aspectos: el electrolito y el material del cátodo. En cuanto al electrolito, se utiliza principalmente el electrolito de éter como electrolito de la batería, y se añaden algunos aditivos al electrolito, lo que puede aliviar eficazmente el problema de disolución de los compuestos de polisulfuro de litio. En cuanto a los materiales catódicos, se trata principalmente de combinar azufre con materiales de carbono, o de combinar azufre con materia orgánica, lo que puede resolver los problemas de no conductividad y expansión de volumen del azufre.

Batería de aire de litio

La batería de litio-aire es un nuevo tipo de batería de iones de litio de alta capacidad. La batería utiliza litio metálico como ánodo, oxígeno en el aire como cátodo, y los dos electrodos están separados por un electrolito sólido. El ánodo utiliza un electrolito orgánico y el cátodo un electrolito acuoso.

Durante la descarga, el ánodo se disuelve en el electrolito orgánico en forma de iones de litio, y luego migra a través del electrolito sólido al electrolito acuoso del cátodo. Los electrones se transportan al cátodo a través del cable, y el oxígeno del aire y el agua reaccionan en la superficie del carbono micronizado para formar hidróxido, que se combina con los iones de litio en el electrolito acuoso del cátodo para formar hidróxido de litio soluble en agua.

Durante la carga, los electrones se transportan al ánodo a través del cable, y los iones de litio atraviesan el electrolito sólido desde el electrolito acuoso del cátodo hasta la superficie del ánodo, y reaccionan en la superficie del ánodo para formar litio metal. El hidróxido en el cátodo pierde electrones para generar oxígeno.

Las baterías de litio-aire no necesitan cargarse sustituyendo el cátodo y el ánodo de litio, la capacidad de descarga alcanza los 50000mAh/g, la densidad energética es alta, el hidróxido de litio producto es fácil de reciclar y el medio ambiente es respetuoso. Sin embargo, la estabilidad del ciclo, la eficiencia de conversión y el rendimiento de la tasa son sus deficiencias.