Cinco formas de mejorar el rendimiento de las baterías de iones de litio

En la actualidad, la actualización de las baterías de litio se basa en materiales como el ánodo de grafito, el electrolito y el cátodo metálico, lo que resulta técnicamente difícil y los avances son lentos. Desde los materiales hasta el diseño de las baterías, en este artículo se han clasificado cinco formas de mejorar su rendimiento.

Transición de ánodo de grafito a ánodo de silicio

Los materiales para ánodos de baterías de litio se dividen principalmente en materiales basados en carbono y materiales no basados en carbono. Los materiales a base de carbono incluyen ánodos de grafito natural, ánodos de grafito artificial y similares. Los materiales no basados en carbono se dividen principalmente en materiales basados en silicio y materiales compuestos. En la actualidad, los materiales a base de carbono representados por el grafito artificial son los principales materiales utilizados en los ánodos de las baterías, y representan 95% de la cuota de mercado de los materiales para ánodos.

Sin embargo, en esta fase, el material del ánodo de grafito está cerca de su límite teórico de capacidad específica de 372mAh/g, y se necesita un material de ánodo de mayor capacidad específica. Se espera que los ánodos de silicio mejoren significativamente la densidad energética y el rendimiento de la batería. El material del ánodo de silicio se prepara mezclando nano-silicio con otros materiales y sometiéndolo después a tratamiento superficial, sinterización, pulverización, tamizado y desmagnetización.

En la actualidad, la capacidad específica de las aplicaciones comerciales alcanza los 450mAh/g, y su coste es bajo. Sin embargo, debido a la escasa duración del ciclo, se utiliza principalmente en el campo digital 3C. Si se quiere utilizar en el campo de los vehículos de nueva energía, es necesario mejorar aún más el rendimiento de la batería.

Aunque la cantidad de material de silicio utilizado en los ánodos es inferior a 5%, resulta difícil utilizarlo como aditivo debido a su inherente expansión de volumen y a los consiguientes problemas de estabilidad y vida útil. Sin embargo, la tecnología de los ánodos de silicio ha mejorado constantemente en los últimos 10-15 años, permitiendo que las baterías utilicen silicio de 5-100% en el ánodo, lo que puede mejorar aún más el rendimiento de la batería.

Nuevo método de síntesis de cátodos

Es posible que las futuras baterías de iones de litio utilicen un conjunto similar de materiales catódicos actualmente en el mercado. Los LNMO o los LMFP relacionados con los LFP pueden considerarse excepciones, aunque ninguno de ellos mejorará la densidad energética, pero ofrecen diferentes compensaciones entre el alto rendimiento de la batería y el bajo coste. Los cátodos NMC ricos en manganeso de litio pueden mejorar modestamente el rendimiento de las baterías, pero su desarrollo comercial es limitado y lento.

Las mejoras en los materiales de los cátodos suelen ser graduales. En cambio, el mayor cambio en la tecnología y la innovación de los cátodos puede derivarse de la forma en que se sintetizan. Las técnicas de síntesis actuales requieren mantener altas temperaturas durante periodos de tiempo relativamente largos (días), además de utilizar grandes cantidades de reactivos y agua, lo que se traduce en unos costes de fabricación y un impacto ambiental elevados. Nano One Materials utiliza un método "one-pot" basado en soluciones para producir materiales catódicos recubiertos.

La empresa está asociada con el fabricante de cátodos Pulead. 6K Energy utiliza reactores de plasma de microondas para producir materiales para cátodos, pero también puede sintetizar ánodos de silicio y materiales de electrolitos sólidos. Se espera que tanto Nano One Materials como 6K Energy agilicen los procesos de producción para mejorar el rendimiento de las baterías, disminuir los costes de fabricación y reducir el impacto ambiental.

Electrolitos sólidos y nuevas formulaciones de electrolitos

En cuanto a los nuevos electrolitos, los electrolitos de estado sólido han atraído gran atención en la industria. La batería de estado sólido sin líquido es casi incombustible, lo que reduce la sensibilidad de la batería a la temperatura, elimina el riesgo de cortocircuito causado por las dendritas de litio provocadas por el fenómeno de precipitación del litio y bloquea eficazmente el cátodo y el ánodo con un buen aislamiento.

Sin embargo, el objetivo de lograr la producción comercial en masa de baterías totalmente de estado sólido sigue siendo relativamente a largo plazo. El uso actual de nuevos aditivos y formulaciones de electrolitos puede mejorar los sistemas de electrolitos líquidos y mejorar el rendimiento de las baterías. Por ejemplo, los aditivos y disolventes de electrolitos basados en compuestos de fosfazeno y nitrógeno fosforado mejoran la seguridad y el rendimiento de las baterías al aumentar la estabilidad térmica y mejorar la formación de la película SEI.

A largo plazo, las baterías de estado sólido siguen siendo el objetivo tecnológico definitivo, ya que permitirán que los electrolitos de estado sólido sustituyan a los electrolitos líquidos inflamables que se utilizan actualmente, lo que mejorará enormemente la seguridad de las baterías y su rendimiento. Los datos muestran que se espera que el mercado de las baterías de estado sólido crezca hasta superar los $8.000 millones en 2031, mientras que los electrolitos líquidos siguen siendo una parte importante del mercado. Los retos que plantean los sistemas de electrolitos sólidos en cuanto a estabilidad, vida útil, facilidad de fabricación e incluso seguridad hacen que la competencia entre los distintos sistemas de electrolitos continúe.

Optimización del espacio interno de la batería

El mero uso de nuevos materiales catódicos y electrolitos para mejorar el rendimiento de las baterías tiene importantes limitaciones técnicas. En el caso de los vehículos eléctricos, la mejora del diseño espacial del paquete de baterías y el aumento de su capacidad constituyen otra vía clave para mejorar su rendimiento. Muchas empresas automovilísticas han anunciado baterías con diseños de célula a paquete para eliminar los materiales asociados a las carcasas de los módulos y optimizar la eficiencia del embalaje, lo que en última instancia ayuda a aumentar la densidad energética y mejorar la integración de la batería en el vehículo.

El diseño del paquete de baterías elimina gradualmente materiales como la carcasa de CTP a CTC/CTB, optimizando la eficiencia del grupo. BYD Blade Battery optimiza la disposición del espacio del pack de baterías cambiando la forma de las celdas, aumentando la tasa de utilización de la capacidad en 50%. Uno de los litio top 100El último diseño de batería de CATL alcanza un 72% de utilización de la capacidad.

A principios de 2022, CATL anunció que sus paquetes de LFP podrían alcanzar 160 Wh/kg y 290 Wh/l, empezando a competir con sus homólogos de NMC. Maximizar la densidad energética puede ayudar a paliar el principal inconveniente de las baterías LFP baratas, mejorando su rendimiento y proporcionando una vía para producir baterías baratas de largo alcance. Sin embargo, este tipo de baterías son menos fáciles de mantener, lo que puede limitar su uso en vehículos comerciales.

Sistema de gestión de baterías más inteligente

Las mejoras en los sistemas de gestión de baterías (BMS) pueden proporcionar una forma de mejorar múltiples aspectos del rendimiento de las baterías. La optimización de los BMS mejora el rendimiento de la batería mediante la optimización del software en función de los materiales del cátodo, el ánodo y el electrolito. Las tres funciones principales de un BMS son la monitorización de la batería, la estimación del estado de carga (SOC) y la gestión térmica eficiente. La medición precisa de la temperatura es muy importante para el estado de funcionamiento de la batería y es la garantía de su seguridad.

La precisión y la capacidad de corrección de errores del SOC son la base del funcionamiento normal del BMS. Sin datos precisos del SOC, el pack de baterías no podrá ejercer su máxima eficiencia de trabajo, y ninguna cantidad de funciones de protección será en vano. Una gestión térmica eficiente garantiza que la batería funcione en un rango de temperatura normal, y activa la estrategia de protección contra sobretemperatura en los escenarios necesarios, garantizando así el funcionamiento seguro y ordenado de la batería y evitando el peligroso escenario de fallo por desbordamiento térmico de la batería.

Además de para los vehículos eléctricos, la mejora de los BMS también es muy valiosa para otros usos finales, como los smartphones o los baterías para herramientas eléctricas. Aunque el desarrollo de las baterías suele incluir compromisos entre sus principales características de rendimiento, como la densidad de energía, la vida útil, la carga rápida y la seguridad, las mejoras en los sistemas de gestión de baterías pueden mejorar todas estas características.

Conclusión

La mejora del rendimiento de la batería y la reducción del coste son, por supuesto, mucho mayores que las diversas formas mencionadas en este artículo. Aunque algunos métodos no puedan alcanzar la producción en masa, proporcionarán un desarrollo estable del rendimiento de las baterías de litio.