Duración del ciclo de una batería de iones de litio: factores que la afectan

Estructura y principio de la batería de iones de litio

Las baterías de iones de litio se componen principalmente de materiales catódicos y anódicos, electrolito, separador, colector de corriente y carcasa de la batería. Los materiales del cátodo y el ánodo se componen de dos compuestos de intercalación de iones de litio diferentes. Para más información 10 principales fabricantes de material para ánodos.

Durante la carga, los iones de litio se desintercalan del cátodo y se introducen en el ánodo a través del separador, y lo contrario ocurre durante la descarga. Durante el primer proceso de carga y descarga de la batería de iones de litio, puede formarse una película de pasivación en la interfaz de fase entre el ánodo y el electrolito.

Actúa como separador entre el electrodo y el electrolito. Es un aislante electrónico pero un excelente conductor de iones de litio. Los iones de litio pueden introducirse y extraerse libremente a través de la capa de pasivación. Tiene las características de un electrolito sólido, por lo que esta película de pasivación se denomina "película de interfaz de electrolito sólido", o película SEI para abreviar.

Influencia del diseño y el proceso de fabricación en la vida útil de las baterías de iones de litio

Propiedades de los materiales

La selección de materiales es el factor más importante en el proceso de diseño de baterías. Los distintos materiales tienen características de rendimiento diferentes, y el rendimiento de las baterías desarrolladas también difiere. Sólo si el rendimiento cíclico de los materiales del cátodo y el ánodo es bueno, la vida útil de la batería de iones de litio será larga.

En cuanto a los ingredientes, preste atención a la cantidad de materiales de cátodo y ánodo añadidos. En general, en el proceso de diseño y montaje se suele exigir que la capacidad del ánodo sea superior a la del cátodo.

Si no es excesiva, el litio se precipitará del ánodo durante el proceso de carga, formando dendritas de litio, lo que afectará a la seguridad. Si el ánodo es demasiado superior al cátodo, el cátodo puede delitarse en exceso, provocando el colapso de la estructura.

Las propiedades de los colectores de corriente del cátodo y el ánodo también afectan a la capacidad y la vida útil de la batería. Los materiales colectores de corriente comúnmente utilizados para el cátodo y el ánodo de las baterías de iones de litio son el aluminio y el cobre, respectivamente, ambos materiales metálicos que se corroen con facilidad.

La película de pasivación formada tras la corrosión del colector de corriente, la escasa adherencia, la corrosión local (corrosión por picaduras) y la corrosión general aumentarán la resistencia interna de la batería, lo que provocará una pérdida de capacidad y una menor eficiencia de descarga. Su adherencia y resistencia a la corrosión pueden mejorarse mediante métodos de pretratamiento como el grabado ácido-álcali y el revestimiento conductor.

Electrolito

El electrolito es también un factor muy importante en la influencia de la capacidad reversible de la pila. El proceso de eliminación e intercalación de iones de litio de los materiales de los electrodos es siempre un proceso de interacción con el electrolito, y esta interacción tiene un impacto importante en las condiciones de la interfaz y en los cambios de la estructura interna de los materiales de los electrodos.

El electrolito se perderá durante la interacción con los materiales del cátodo y el ánodo. Además, cuando la batería se forma para formar una película SEI y se precarga, también se consumirá parte del electrolito. Por lo tanto, el tipo de electrolito y la cantidad de líquido inyectado también afectan a la vida útil de la batería.

Los electrolitos comunes se componen de disolventes, sales de litio y diversos aditivos. El proceso de eliminación e intercalación de iones de litio de los materiales del cátodo y el ánodo siempre interactúa con el electrolito, y en la interfaz se producirán reacciones redox complejas debido a esta interacción, e incluso se generarán productos gaseosos o sólidos, con lo que se agotará el electrolito.

El gas aumentará la presión interna de la pila y hará que ésta se deforme, y el producto sólido formará una película de pasivación en la superficie del electrodo, lo que hará que aumente la polarización de la pila y se reduzca su tensión de salida.

Estos factores tendrán un impacto negativo en la capacidad y la seguridad de la batería y, en última instancia, afectarán a la vida del ciclo de la batería. La adición de aditivos puede mejorar eficazmente el rendimiento del ciclo de las baterías de iones de litio, como la adición de una pequeña cantidad de aditivo anisol al sistema de disolventes EC/DEC.

Proceso de fabricación

El proceso de fabricación de las baterías de iones de litio incluye principalmente: ingredientes del cátodo y el ánodo, revestimiento, producción de láminas, bobinado, revestimiento, inyección de líquido, sellado, formación química, etc. En el proceso de fabricación de baterías, los requisitos para cada paso del proceso son muy estrictos. Cualquier proceso que no esté bien controlado puede afectar al rendimiento del ciclo de vida de la batería de iones de litio.

Durante el proceso de dosificación del cátodo y el ánodo, debe prestarse atención a la cantidad de aglutinante añadido, la velocidad de agitación, la concentración de la pasta, la temperatura y la humedad, y garantizar que los materiales puedan dispersarse uniformemente.

En el proceso de revestimiento, bajo la premisa de garantizar una alta energía específica de la batería, controlar razonablemente la cantidad de revestimiento del cátodo o el ánodo y reducir adecuadamente el grosor del electrodo ayudará a reducir la tasa de deterioro de la batería. La pieza de polo revestida debe compactarse aún más con una prensa de rodillos.

Una densidad de compactación positiva adecuada puede aumentar la capacidad de descarga de la batería, reducir la resistencia interna, reducir la pérdida de polarización y prolongar la vida útil del ciclo de la batería de iones de litio.

Al enrollar, el núcleo enrollado de la batería debe estar apretado. Cuanto más apretados estén enrollados el separador y los electrodos, menor será la resistencia interna, pero si el enrollado es demasiado apretado, causará dificultades para humedecer la pieza polar y el separador, lo que se traducirá en una menor capacidad de descarga.

Si el rollo está demasiado flojo, la pieza de polo se expandirá excesivamente durante el proceso de carga y descarga, aumentará la resistencia interna, reducirá la capacidad y acortará el ciclo de vida de la batería de iones de litio.

Influencia del envejecimiento y la degradación de los materiales de las baterías en la vida útil de las baterías de iones de litio

El proceso de carga y descarga de una batería de iones de litio es el proceso en el que los iones de litio se mueven de un lado a otro entre los materiales del cátodo y el ánodo a través del electrolito. Durante el ciclo de las baterías de iones de litio, además de las reacciones redox en el cátodo y los ánodos, también se producen un gran número de reacciones secundarias.

Si las reacciones secundarias de las baterías de iones de litio pueden reducirse a un nivel bajo, de modo que los iones de litio siempre puedan ir y venir sin problemas entre los materiales del cátodo y el ánodo a través del electrolito, puede aumentarse la vida útil del ciclo de la batería de iones de litio.

El movimiento de los iones de litio desde el cátodo hasta el ánodo debe pasar a través de la película SEI que recubre el ánodo de carbono. La calidad de la película SEI afecta directamente a la vida útil de la batería.

La estabilidad de la película SEI tiene un impacto importante en la estabilidad de la batería. La película SEI es inestable y es fácil que precipite metal de litio, lo que provocará una rápida degradación del material activo del ánodo. Una batería de litio con una película SEI estable puede almacenarse a alta temperatura durante más de 4 años.

Los investigadores estudiaron la batería de iones de litio de película de aluminio y plástico que se sometió a 200 ciclos de carga y descarga, y los resultados mostraron que la capacidad de descarga de la batería disminuía gradualmente, y la resistencia interna y el grosor aumentaban gradualmente.

Tras desmontar las baterías con diferentes ciclos, las observaciones experimentales mostraron que, después de 200 ciclos, aparecieron muchas grietas en la superficie del cátodo, y el tamaño medio de las partículas disminuyó. En el ánodo se observó que la película SEI se hacía más gruesa, y que el litio y los compuestos de litio precipitaban al final del ciclo.

Los profesionales han realizado un análisis en profundidad del mecanismo de envejecimiento de los materiales internos de la batería con los ciclos de carga y descarga, y han revisado factores como la estabilidad de la estructura cristalina del material del electrodo, las reacciones laterales de la interfaz entre el material activo y el electrolito, y la disminución del rendimiento del aglutinante. El rendimiento energético se ve afectado, y se resumen las razones y los efectos del envejecimiento del cátodo y el ánodo.

Para el material del ánodo, además de los factores que aumentan la impedancia debido al mal contacto entre los componentes del ánodo por la formación y el crecimiento de la película SEI, los principales factores son: el disolvente se incrusta en el electrodo C para generar gas, lo que provoca la ruptura de las partículas de C, y el cambio de volumen en el ciclo.

El contacto entre las partículas de material activo empeorará, y el metal de litio precipitado reaccionará con el electrolito para acelerar el envejecimiento.

Influencia del entorno de uso de la batería en su vida útil

El entorno de uso de las baterías de iones de litio también es muy importante para su vida útil, especialmente la temperatura ambiente. Una temperatura ambiente demasiado baja o demasiado alta afectará a la vida útil de la batería de iones de litio. El tiempo de carga a tensión constante a baja temperatura aumenta, y el rendimiento de carga también se deteriora significativamente.

Entre las principales razones de la reducción de la capacidad de descarga de las baterías de iones de litio a bajas temperaturas se encuentran: la escasa conductividad del electrolito, la escasa humectación o permeabilidad del separador, la lenta migración de los iones de litio a través de la interfaz electrodo/electrolito, etc. Además, la resistencia de la película SEI aumenta a bajas temperaturas, lo que ralentiza el paso de los iones de litio a través de la interfaz electrodo/electrolito.

La razón del aumento de la impedancia de la película SEI es que es más fácil que los iones de litio escapen del ánodo a baja temperatura, pero es más difícil que se intercalen. Durante la carga, el litio metálico aparecerá y reaccionará con el electrolito, formando una nueva película SEI que cubrirá la película SEI original, aumentando la impedancia de la batería y provocando una disminución de la capacidad de la misma.

Los investigadores realizaron 300 experimentos de ciclos de carga y descarga con el mismo lote de baterías de litio a 60 °C y a temperatura normal. En la fase inicial, la batería mostraba una mayor capacidad de descarga a 60°C. Sin embargo, a medida que avanza el ciclo, la capacidad de la batería decae más rápidamente, la estabilidad del ciclo disminuye y la batería incluso se abomba en la última etapa.

El ciclo de carga-descarga de las baterías de iones de litio es inestable a altas temperaturas. Las altas temperaturas provocan una polarización electroquímica intensificada de los electrodos de la batería y la generación de gas, con el consiguiente abombamiento. Al mismo tiempo, aumenta la resistencia a la transferencia de carga y disminuye el rendimiento cinético de la transferencia de iones.

Además, los dispositivos que utilizan baterías de iones de litio pueden estar sometidos a condiciones como vibraciones, golpes y colisiones durante el transporte o el funcionamiento normal. Algunas baterías de litio se cargan y descargan mientras se comunican con el sistema y reciben información de datos según una frecuencia determinada.

La frecuencia con la que vibra el dispositivo puede interferir con la frecuencia de la batería, provocando errores en los datos del chip o activando acciones del circuito de protección. En caso de fuertes vibraciones o impactos, las lengüetas, las conexiones externas, los terminales, las juntas de soldadura, etc. de la batería de iones de litio pueden romperse o caerse, y el material activo de la pieza del polo de la batería también puede despegarse, lo que afectará a la vida útil del ciclo de la batería de iones de litio e incluso causará daños graves.

Influencia de los regímenes de carga y descarga en la vida útil de las baterías de iones de litio

El proceso de utilización de baterías de iones de litio, uno de los las mejores pilas recargableses el proceso del ciclo de carga-descarga. La corriente de carga-descarga, la elección de la tensión de corte de carga-descarga y el método de carga-descarga utilizado tienen un impacto muy importante en el ciclo de vida de la batería de iones de litio.

Aumentar ciegamente la corriente de trabajo de la batería, aumentar la tensión de corte de carga o reducir la tensión de corte de descarga degradará el rendimiento de la batería.

Las baterías de iones de litio con diferentes sistemas electroquímicos tienen diferentes tensiones de corte de carga-descarga. En el proceso de carga de las baterías de iones de litio, se considera que se ha producido una sobrecarga si se supera la tensión de corte de carga.

Cuando la batería de iones de litio se sobrecarga, el exceso de iones de litio extraídos del cátodo se deposita o incrusta en el ánodo, y el litio activo depositado reacciona fácilmente con el disolvente, liberando calor para aumentar la temperatura de la batería. El cátodo se calienta y se descompone para liberar oxígeno, lo que facilita la descomposición del electrolito y genera mucho calor.

Cuando la tensión de descarga de la batería de litio es inferior a la tensión de corte de descarga, se produce una sobredescarga. En el proceso de sobredescarga, los iones de litio se extraerán excesivamente del ánodo, y será difícil volver a insertarlos al cargar la próxima vez.

Resumen

Ya sea en el diseño, la fabricación o el uso, hay muchos factores que afectan al ciclo de vida de las baterías de iones de litio. La aplicación de las baterías de iones de litio es cada vez más amplia, y la demanda de baterías de litio plantea requisitos más exigentes en cuanto a cantidad y calidad.

El ciclo de vida de las baterías de iones de litio afecta directamente al tiempo de servicio y a la calidad de las baterías de iones de litio, por lo que es necesario que los fabricantes estudien sus factores de influencia.

Sólo si se tienen en cuenta todos los factores que afectan a la vida útil de las baterías de iones de litio en el proceso de I+D y producción, se podrá fabricantes de baterías de litio personalizadas tomar la iniciativa en la feroz competencia del mercado. Los consumidores deben prestar atención a la seguridad de las baterías de iones de litio durante su uso, y utilizarlas correctamente según las instrucciones del manual.