Tipos de baterías de litio: análisis de rendimiento

Batería de litio-óxido de cobalto

Su elevada energía específica hace del óxido de cobalto y litio una opción popular para teléfonos móviles, ordenadores portátiles y cámaras digitales. Entre los tipos de baterías de litio, ésta consta de un cátodo de óxido de cobalto y un ánodo de carbono grafítico. El cátodo tiene una estructura en capas, y los iones de litio se desplazan del ánodo al cátodo durante la descarga y en sentido contrario durante la carga.

Las desventajas del óxido de cobalto y litio son una vida útil relativamente corta, una baja estabilidad térmica y una capacidad de carga limitada. Al igual que otras baterías de iones de litio híbridas con cobalto, la de óxido de cobalto y litio utiliza un ánodo de grafito. Su vida cíclica está limitada principalmente por la interfaz de electrolito sólido (SEI), que se manifiesta sobre todo en el engrosamiento gradual de la película SEI, y el problema del recubrimiento de litio del ánodo durante la carga rápida o la carga a baja temperatura.

El óxido de litio y cobalto no debe cargarse ni descargarse con una corriente superior a su capacidad. Esto significa que una Batería 18650 con 2.400mAh sólo puede cargarse y descargarse a ≤2.400mA. Forzar una carga rápida o aplicar una carga superior a 2.400 mA puede provocar un sobrecalentamiento y un estrés excesivo.

Debido al elevado coste del cobalto y a la evidente mejora de rendimiento que supone la mezcla de materiales con otros materiales de cátodo activos, el óxido de litio y cobalto está siendo sustituido gradualmente por el óxido de litio y manganeso en los tipos de baterías de litio, especialmente en las baterías NMC y NCA. En los tipos de baterías de litio, el óxido de cobalto y litio es excelente en términos de alta energía específica, pero sólo puede proporcionar un rendimiento mediocre en términos de características de potencia, seguridad y vida de ciclo.

Pila de manganato de litio

Como uno de los tipos de baterías de litio, la batería de manganato de litio espinela se publicó por primera vez en un informe de investigación de materiales de 1983. En 1996, Moli Energy Company comercializó baterías de iones de litio con óxido de litio y manganeso como material catódico.

La arquitectura forma una estructura tridimensional de espinela que mejora el flujo de iones en los electrodos, lo que se traduce en una menor resistencia interna y una mayor capacidad de transporte de corriente. Otra ventaja de la espinela es su gran estabilidad térmica y su mayor seguridad, pero su limitada vida útil en ciclos y calendarios.

La baja resistencia interna de la batería permite una carga rápida y una descarga de alta corriente. Las pilas 18650, la batería de manganato de litio puede descargarse a una corriente de 20-30A, y tienen una moderada acumulación de calor. La batería de manganato de litio se utiliza en herramientas eléctricas, equipos médicos y vehículos eléctricos híbridos y puros.

La mayoría de los óxidos de litio y manganeso se mezclan con óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) para aumentar la energía específica y prolongar la vida útil. Esta combinación saca el mejor rendimiento de cada sistema, y en la mayoría de los vehículos eléctricos se opta por el OVM (NMC). La parte LMO de la batería puede alcanzar unos 30%, lo que puede proporcionar una mayor corriente durante la aceleración; la parte NMC proporciona una gran autonomía de crucero.

La investigación sobre baterías de iones de litio tiende a combinar manganato de litio con cobalto, níquel, manganeso y/o aluminio como material activo del cátodo. En algunas arquitecturas, se añade una pequeña cantidad de silicio al ánodo, lo que proporciona un aumento de capacidad de 25%. Sin embargo, el silicio se expande y se contrae con la carga y la descarga, provocando tensiones mecánicas, y la mejora de la capacidad suele estar estrechamente vinculada a la corta duración de los ciclos.

Estos tres metales activos, junto con las mejoras del silicio, pueden seleccionarse convenientemente para mejorar la energía específica, la potencia específica o la vida útil.

Batería NMC

En los tipos de baterías de litio, uno de los sistemas Li-ion con más éxito es la combinación catódica de níquel manganeso cobalto (NMC). Al igual que el manganato de litio, este sistema puede adaptarse para su uso como batería energética o de potencia. Por ejemplo, un NMC en una batería 18650 en condiciones de carga moderada 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 suministrar una corriente de descarga continua de 20A. Los ánodos basados en silicio alcanzarán más de 4.000mAh, pero la capacidad de carga se reducirá y la vida útil del ciclo se acortará. El silicio añadido al grafito tiene el defecto de que el ánodo se expande y contrae al cargarse y descargarse, lo que hace que la batería sufra tensiones mecánicas y sea estructuralmente inestable.

El secreto del NMC reside en la combinación de níquel y manganeso. El níquel es conocido por su alta energía específica pero escasa estabilidad, y la estructura de espinela del manganeso puede lograr una baja resistencia interna pero una baja energía específica. Los dos metales activos tienen ventajas complementarias.

Entre los seis tipos de baterías de litio, la NMC tiene buenas propiedades generales y destaca en términos de energía específica. Esta batería es la preferida para herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas y otros sistemas de propulsión eléctrica, con el menor índice de autocalentamiento.

Las baterías híbridas de iones de litio NMC han recibido cada vez más atención debido a su rendimiento económico relativamente bueno y a las prestaciones integrales del sistema. Los tres materiales activos, níquel, manganeso y cobalto, pueden mezclarse fácilmente para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones en automoción y sistemas de almacenamiento de energía (EES) que requieren ciclos frecuentes.

Batería LiFePO4

En 1996, la Universidad de Texas descubrió que el fosfato podía utilizarse como material catódico para baterías de litio recargables. El fosfato de litio tiene un buen rendimiento electroquímico y una baja resistencia. Esto se consigue gracias a los materiales catódicos de fosfato a nanoescala.

Las principales ventajas de la batería LiFePO4 son su alta corriente nominal y su larga vida útil; su buena estabilidad térmica para una mayor seguridad y su tolerancia al abuso. El fosfato de litio es más resistente a las condiciones de carga completa y se estresa menos que otros sistemas de tipos de baterías de litio si se mantiene a alta tensión durante periodos prolongados. En el lado negativo, el menor voltaje nominal de la batería de 3,2 V hace que la energía específica sea inferior a la de las baterías de iones de litio dopadas con cobalto.

Para la mayoría de los tipos de baterías de litio, las bajas temperaturas reducirán el rendimiento y las temperaturas de almacenamiento elevadas acortarán la vida útil, y el fosfato de litio no es una excepción. El fosfato de litio tiene una mayor autodescarga que otras baterías de iones de litio, lo que puede causar problemas de envejecimiento y ecualización. Aunque puede compensarse eligiendo una batería de alta calidad o utilizando un sistema avanzado de gestión de baterías, ambos métodos aumentan el coste del paquete de baterías.

A la gente le gustaría utilizar batería de litio sustitución de plomo ácido. Cuatro baterías en serie producen 12,8 V, similar a seis baterías de plomo-ácido de 2 V en serie. Además, el fosfato de litio tiene buena seguridad y larga vida útil, energía específica moderada y mayor capacidad de autodescarga.

Batería NCA

La batería de níquel cobalto litio aluminato o batería NCA se utiliza desde 1999. Tiene una energía específica elevada, una potencia específica bastante buena y una larga vida útil, que son similares a las de NMC. Menos halagüeños son la seguridad y el coste. La NCA, uno de los tipos de batería de litio, es un desarrollo posterior del óxido de litio y níquel, al que se añade aluminio para dar 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 la cadena cinemática de los VE. Su elevado coste y seguridad marginal tienen efectos negativos.

Batería LTO

Las baterías con ánodos de titanato de litio se conocen desde los años ochenta. El titanato de litio sustituye al grafito en el ánodo típico de una batería 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, puede cargarse rápidamente y proporciona una alta corriente de descarga de 10C. Se dice que los tiempos de ciclo son superiores a los de las baterías de iones de litio convencionales. El titanato de litio es seguro y tiene excelentes características de descarga a bajas temperaturas, alcanzando una capacidad de 80% a -30°C.

La batería LTO tiene una deformación 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 y descarga que los ánodos tradicionales de Li-ion dopados con cobalto y grafito. La estabilidad térmica a alta temperatura también es mejor que la de otros tipos de baterías de litio.

Sin embargo, las baterías LTO son caras. Su energía específica es baja, sólo 65 Wh/kg, comparable a la del NiCd. El titanato de litio se carga a 2,80 V y a 1,80 V al final de la descarga. Los usos típicos son las cadenas cinemáticas eléctricas, los SAI y las farolas solares. El titanato de litio es excelente en seguridad, rendimiento a baja temperatura y vida útil, y se están haciendo esfuerzos para aumentar la energía específica y reducir los costes.

Conclusión

Aunque la NCA es la clara vencedora al almacenar más capacidad que otros sistemas, sólo es buena para el uso de energía en escenarios específicos. Entre los seis tipos de baterías de litio, el manganato y el fosfato de litio son excelentes en términos de potencia específica y estabilidad térmica. El titanato de litio puede tener menor capacidad, pero dura más que la mayoría de las demás baterías y tiene el mejor rendimiento a baja temperatura.