¿Cuántos tipos de pilas de litio existen?

SONY comercializó las baterías de iones de litio en 1991, basándose en los trabajos de John Goodenough, profesor de la Universidad de Texas en Austin.

Hasta ahora, se han desarrollado varios tipos de baterías de litio en los últimos 30 años, y estos diferentes tipos tienen un rendimiento diferente, con algunas pequeñas diferencias.diferentes tipos de productos de baterías de litio se han convertido, con mucho, el más producido en el mundo.

Antes de presentar los principales tipos de baterías de litio del mercado, hablaremos primero de algunos conocimientos básicos sobre la batería de iones de litio, como el principio de funcionamiento, las ventajas y la composición de la batería de iones de litio.

Esperamos que después de leer este artículo, pueda elegir los productos de baterías de litio más adecuados en función de las características de los distintos tipos de baterías de litio.

¿Cómo funcionan las baterías de iones de litio?

¿Cómo funcionan las baterías de iones de litio? De hecho, todos los tipos de baterías de litio, como cualquier otra batería, necesitan acumular fluidos, y los iones se transfieren entre el cátodo y el ánodo a medida que se cargan y descargan. En las baterías de iones de litio, el flujo de energía se forma durante la carga y la descarga.

Durante la carga, los iones de litio se extraen del cátodo y se introducen en el ánodo a través del electrolito. Durante la descarga, los iones de litio se extraen del ánodo y se introducen en el cátodo a través del electrolito.

Las baterías de iones de litio se cargan y descargan al revés de lo que dicta el sentido común: cuando se descargan, los iones se transfieren del ánodo al cátodo.

Los iones de litio entran en el electrolito desde el material del cátodo, atraviesan el diafragma, entran en el electrolito y, por último, entran en el ánodo desde el electrolito. Este proceso crea una diferencia de tensión entre la lámina de cobre del ánodo y el colector del cátodo.

Ventajas de las baterías de iones de litio

Alta densidad energética

Por su alta densidad energética, los tipos de pilas de litio se están convirtiendo rápidamente en la mejor fuente de energía para pequeños dispositivos electrónicos.

Esto significa que las baterías de iones de litio necesitan la mitad de tamaño y peso que las de Nimh para proporcionar la misma cantidad de energía. En el caso de las fuentes de energía móviles, como los teléfonos móviles y los ordenadores portátiles, una alta densidad energética se traduce en un mayor tiempo de funcionamiento.

Alta tensión de funcionamiento

En comparación con las baterías de níquel y las baterías de plomo-ácido, las baterías de iones de litio tienen una tensión de funcionamiento más alta. Por lo general, la tensión de funcionamiento de las baterías de níquel-hidruro metálico y níquel-cadmio es de 1,2~1,5 V, mientras que la tensión de funcionamiento de las baterías de iones de litio es de 3,2~3,8 V.

Un alto voltaje de funcionamiento significa que para alcanzar el mismo voltaje de montaje, la batería de iones de litio necesita menos celdas. Por ejemplo, para montar un módulo de 350 V, una batería de nimH necesita unas 292 celdas (350 V / 1,2 V = 292), mientras que una batería de iones de litio sólo necesita 98 celdas (350 V / 3,6 V = 98).

Baja tasa de autodescarga

Además de alto voltaje y alta densidad energética, las baterías de iones de litio también tienen un bajo índice de autodescarga. En otras palabras, las baterías de iones de litio pierden mucha menos capacidad que otras baterías tras un periodo de almacenamiento.

Dependiendo de los tipos de baterías de litio, la tasa media de autodescarga es de unas 1% a 5% al mes. La pérdida de capacidad se divide en dos tipos: pérdida de capacidad reversible y pérdida de capacidad permanente.

La pérdida de capacidad reversible puede recuperarse mediante la carga, mientras que la pérdida de capacidad permanente no puede recuperarse. Casi todos los tipos de baterías de litio presentan pérdida de capacidad reversible y permanente.

Alto ciclo de vida

Además, las baterías de iones de litio tienen un ciclo de vida muy bueno en comparación con otras baterías. Las baterías de plomo-ácido tienen una vida de ciclo completo de carga-descarga de unos 300 a 500 ciclos, mientras que las baterías de iones de litio tienen miles de ciclos.

Si la batería sólo utiliza 80% de su energía total cada vez, las baterías de iones de litio pueden tener una vida útil de miles de ciclos. Así que batería de litio sustitución de plomo ácido se han convertido en una opción habitual para muchos fabricantes de aparatos eléctricos.

Composición de las pilas de iones de litio

El núcleo de la batería de iones de litio consta de sólo cinco partes, y hay unos 10~20 tipos de materiales relacionados con el núcleo.

La batería consta de un material catódico, un material anódico y un colector de fluido correspondiente, separados por un diafragma entre el cátodo y los ánodos, y sus componentes principales son polipropileno y plástico polietileno.

Los materiales de ánodo y cátodo se recubren en el fluido colector y el diafragma se engarza o se lamina para formar un núcleo de bobina, y luego se coloca en la carcasa metálica o película de plástico, y después de la inyección de electrolito y otros procesos, la carcasa metálica o película de plástico se sella completamente, y luego se puede pasar al siguiente proceso de la célula.

Tipos de pilas de litio

A menudo se habla de baterías ternarias de litio o baterías de hierro-litio, por lo que estos tipos de baterías de litio reciben el nombre del material activo del cátodo.

Este artículo resume seis tipos comunes de baterías de litio, y también enumera los parámetros de rendimiento de estos diferentes tipos de baterías de litio.

Como todos sabemos, la misma línea técnica de la célula, sus parámetros específicos no son exactamente los mismos, este documento muestra el parámetro actual del nivel general.

Los seis tipos de baterías de litio incluyen la batería NMC, la batería NCA, la batería LFP, la batería LTO, la batería LMO y la batería LCO. Esta tabla resume el precio, el rendimiento electroquímico y los tipos de baterías de litio.

Cobalto de litio (LiCoO2)

Su elevada energía específica hace del cobalto de litio uno de los tipos más populares de baterías de litio para teléfonos móviles, ordenadores portátiles y cámaras digitales. Las desventajas del cobalto de litio son su vida relativamente corta, su baja estabilidad térmica y su limitada capacidad de carga (energía específica).

Al igual que otras baterías de iones de litio con mezcla de cobalto, las de cobalto de litio utilizan ánodo de grafito, y la vida útil de sus ciclos se ve limitada principalmente por la interfaz de electrolito sólido (SEI), que se manifiesta sobre todo en el engrosamiento gradual de la película SEI, y por el problema del recubrimiento de litio del ánodo durante la carga rápida o la carga a baja temperatura.

Los nuevos sistemas de materiales añaden níquel, manganeso y/o aluminio para mejorar la vida útil del ciclo, la capacidad de carga y el coste. El cobalato de litio funciona bien con una energía específica elevada, pero sólo ofrece un rendimiento mediocre en términos de características de potencia, seguridad y vida útil del ciclo.

Manganato de litio (LiMn2O4)

Las baterías de óxido de manganato de litio espinela se publicaron por primera vez en los informes de investigación de materiales en 1983. En 1996, Moli Energy comercializó baterías de iones de litio con manganato de litio como material catódico.

La estructura forma una espinela tridimensional que mejora el flujo de iones a través del electrodo, reduciendo así la resistencia interna y mejorando la capacidad de transporte de corriente. Otra ventaja de la espinela es su elevada estabilidad térmica, su mayor seguridad, pero su limitada vida útil en ciclos y calendarios.

La baja resistencia de la batería permite una carga rápida y una descarga de alta corriente. Modelo 18650 batería de manganato de litio se puede cargar a una corriente de 20-30A, con la acumulación de calor moderado, y la temperatura de la batería no puede exceder 80℃.

El manganato de litio se utiliza en herramientas eléctricas, dispositivos médicos y vehículos eléctricos híbridos y puros. La capacidad del manganato de litio es aproximadamente un tercio menor que la del cobalto de litio. La flexibilidad del diseño permite a los ingenieros elegir entre maximizar la vida útil de la batería o aumentar la corriente de carga máxima o la capacidad.

Las baterías de manganato de litio puro ya no son comunes entre todos los tipos de baterías de litio actuales; sólo se utilizan en casos especiales.

La mayor parte del manganato de litio se mezcla con óxido de litio níquel-manganeso-cobalto (NMC) para mejorar la energía específica y prolongar la vida útil. Esta combinación aporta el mejor rendimiento de cada sistema, y la mayoría de los vehículos eléctricos, como el Nissan Leaf, el Chevrolet Volt y el BMW I3, utilizan el LMO(NMC).

La parte LMO de la batería puede alcanzar unos 30%, lo que puede proporcionar una gran corriente durante la aceleración; La sección NMC ofrece mucho kilometraje.

La investigación sobre baterías de iones de litio tiende a combinar manganato de litio con cobalto, níquel, manganeso y/o aluminio como materiales activos del cátodo. En algunas arquitecturas, se añade una pequeña cantidad de silicio al ánodo.

Sin embargo, el silicio se dilata y se contrae al cargarse y descargarse, lo que provoca tensiones mecánicas, y los aumentos de capacidad suelen ir asociados a ciclos de vida cortos.

Manganato de litio y níquel-cobalto (NMC)

Uno de los tipos de baterías de litio con más éxito es la combinación catódica de níquel manganeso cobalto (NMC). Al igual que el manganato de litio, puede personalizarse para su uso como batería energética o de potencia.

Por ejemplo, el NMC de la batería 18650 en condiciones de carga media tiene una capacidad de unos 2.800mAh y puede proporcionar una corriente de descarga de 4A a 5A; el mismo tipo de NMC, cuando se optimiza para una potencia específica, tiene una capacidad de sólo 2.000mAh, pero puede proporcionar una corriente de descarga continua de 20A.

El ánodo de silicio alcanzará más de 4000mAh, pero la capacidad de carga se reduce, la vida del ciclo se acorta. El silicio añadido al grafito tiene un defecto que hace que el ánodo se expanda y contraiga al cargarse y descargarse, lo que hace que la célula sea estructuralmente inestable debido a la elevada tensión mecánica.

El secreto del NMC es la combinación de níquel y manganeso. Lo mismo ocurre con la sal de mesa, cuyos principales ingredientes, el sodio y el cloruro, son tóxicos por sí solos, pero se combinan para servir como sales aromatizantes y conservantes alimentarios.

El níquel es famoso por su elevada energía específica, pero su estabilidad es escasa. La estructura de espinela de manganeso puede lograr una baja resistencia interna pero una baja energía específica. Los dos metales activos se complementan.

La NMC es la opción más popular entre los distintos tipos de baterías de litio para herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas y otros sistemas de energía eléctrica. La combinación de cátodos suele ser un tercio de níquel, un tercio de manganeso y un tercio de cobalto, también conocida como 1-1-1.

Esto proporciona una mezcla única que también reduce el coste de las materias primas debido al menor contenido de cobalto. Otra combinación de éxito es NCM, que contiene 5 partes de níquel, 3 partes de cobalto y 2 partes de manganeso (5-3-2). También pueden utilizarse otras combinaciones de materiales catódicos en diferentes cantidades.

Debido al alto coste del cobalto, fabricantes de baterías de ión-litio han pasado del cobalto al níquel. Los sistemas basados en el níquel tienen densidades de energía más altas, costes más bajos y ciclos de vida más largos que las baterías basadas en el cobalto, pero tienen voltajes ligeramente más bajos.

Los nuevos electrolitos y aditivos pueden aumentar la carga de una sola batería hasta más de 4,4 V. Debido a la buena economía y al amplio rendimiento del sistema, la batería híbrida de iones de litio NMC atrae cada vez más atención.

Los tres materiales activos, níquel, manganeso y cobalto, pueden mezclarse fácilmente para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones en automóviles y sistemas de almacenamiento de energía que requieren un reciclaje frecuente. Cada vez son más los tipos de baterías de litio que utilizan una combinación catódica de NMC.

Fosfato de litio y hierro (LiFePO4)

En 1996, la Universidad de Texas descubrió el fosfato como material catódico para baterías recargables de iones de litio. El fosfato de litio tiene buen rendimiento electroquímico y baja resistencia.

Esto se consigue con materiales de cátodo de fosfato a nanoescala. Las principales ventajas son una alta corriente nominal y una larga vida útil; buena estabilidad térmica, mayor seguridad y tolerancia al abuso.

Si se mantiene a altos voltajes durante largos periodos de tiempo, el fosfato de litio es más resistente a todas las condiciones de carga y sufre menos tensiones que otros tipos de baterías de litio. La desventaja es que la menor tensión nominal de la batería de 3,2 V hace que la energía específica sea inferior a la de la batería de iones de litio dopada con cobalto.

Para la mayoría de los tipos de baterías de litio, las temperaturas bajas degradan el rendimiento y las temperaturas de almacenamiento más altas acortan la vida útil, y el fosfato de litio no es una excepción. El fosfato de litio tiene una mayor tasa de autodescarga que otros tipos de baterías de litio, lo que puede causar envejecimiento y, por tanto, problemas de equilibrio.

Esto puede remediarse seleccionando baterías de alta calidad o utilizando sistemas avanzados de gestión de baterías, pero ambos métodos aumentan el coste del paquete de baterías.

La vida útil de las baterías es muy sensible a las impurezas en el proceso de fabricación y no soportan el dopaje con agua; algunas baterías tienen una vida útil mínima de 50 ciclos debido a las impurezas del agua.

El fosfato de litio se utiliza habitualmente en lugar de las baterías de arranque de plomo-ácido. Cuatro baterías en serie producen 12,80 V, un voltaje similar al de seis baterías de plomo-ácido de 2 V en serie.

Al conectar cuatro baterías de fosfato de litio en serie, cada batería tiene una tensión de 3,60 V, que es la tensión de carga completa correcta. En este punto, la carga debe desconectarse pero debe continuarse durante la conducción. El fosfato de litio tolera la sobrecarga.

Sin embargo, como la mayoría de los vehículos mantienen la tensión a 14,40 V durante largos periodos de tiempo en trayectos largos, puede aumentar el estrés mecánico sobre las baterías de fosfato de litio. El tiempo dirá cuánto tiempo puede soportar el fosfato de litio una sobrecarga como alternativa a las baterías de plomo-ácido.

Aluminato de níquel, cobalto y litio (NCA)

Las baterías de níquel-cobalto-litio aluminato o NCA se utilizan desde 1999. Su energía específica es alta, su potencia específica bastante buena y su vida útil larga, similar a la de las NMC. Menos halagüeños son la seguridad y el coste.

La NCA es una evolución del óxido de litio y níquel. La adición de aluminio confiere a la batería una mayor estabilidad química. Su alta densidad energética y de potencia y su buena vida útil hacen del NCA un candidato para los sistemas de alimentación de los vehículos eléctricos. Los elevados costes y la seguridad marginal repercuten en los ánodos.

Titanato de litio (LTO)

Las baterías de ánodo de titanato de litio se conocen desde los años ochenta. El titanato de litio sustituye al grafito en el cátodo de las típicas baterías de iones de litio, y el material forma una estructura de espinela.

El cátodo puede ser de manganato de litio o NMC. El titanato de litio tiene una tensión nominal de batería de 2,40 V, que puede cargarse rápidamente y proporciona una alta corriente de descarga de 10 C.

Se dice que tiene ciclos más altos que las baterías de iones de litio convencionales. El titanato de litio es seguro y tiene excelentes características de descarga a baja temperatura, alcanzando una capacidad de 80% a -30°C (-22°F).

La LTO (normalmente Li4Ti5O12) tiene tensión cero, no forma película SEI y no se produce el fenómeno de recubrimiento de litio durante la carga rápida y la carga a baja temperatura, por lo que tiene un mejor rendimiento de carga-descarga que los tipos tradicionales de baterías de litio que tienen ánodos de Li-ion dopados con cobalto y grafito.

La estabilidad térmica a alta temperatura es mejor que la de otros tipos de baterías de litio. Sin embargo, las baterías son caras y su energía específica es baja, sólo 65 Wh/kg, comparable a la del NiCd.

El titanato de litio se cargó a 2,80 V y se descargó a 1,80 V. Típicas utilizadas como transmisiones eléctricas, farolas solares y Batería de litio del SAI.