Rendimiento de la química de las baterías de iones de litio

¿Qué es la química de las pilas de iones de litio?

La electroquímica de una batería de iones de litio depende de los iones de litio. En la química de las baterías de iones de litio tienen lugar procesos sencillos de oxidación-reducción.

Los componentes de una batería de iones de litio son el electrodo catódico, el electrodo anódico, el separador y el electrolito. El cátodo es el lugar donde se produce la reducción, mientras que el ánodo es un lugar de oxidación. El electrolito es una sal de litio en un disolvente orgánico, mientras que el cátodo es una sustancia que contiene litio y el ánodo es un compuesto que contiene carbono.

Cómo funciona la química de las baterías de iones de litio

La química de las baterías de iones de litio funciona según los principios de la química redox. El ánodo, el cátodo y el electrolito son los tres componentes que intervienen en las reacciones redox de una batería de iones de litio. Los iones de litio pueden entrar tanto en el ánodo como en el cátodo.

Durante la descarga en una célula de ion litio, el ion litio se evacua del cátodo y se deposita en el ánodo, liberando la energía allí acumulada. Cuando la célula se carga, ocurre lo contrario. La barrera micropermeable, separador que aísla el ánodo del cátodo, puede dejar pasar los iones de litio debido a su diminuto tamaño.

Debido al pequeño tamaño del litio, las baterías de iones de litio pueden almacenar grandes cantidades de carga y funcionar a altos niveles de tensión.

Materiales químicos en el cátodo de las baterías de iones de litio

En el mercado mundial del Li-ion existen diversos materiales para los cátodos. Al principio, el cobalto era el principal material activo del cátodo. Hoy en día, el níquel se utiliza habitualmente. Los materiales catódicos deben tener un grado de pureza excepcionalmente alto y estar completamente desprovistos de impurezas metálicas indeseables para la eficacia de la química de las baterías de iones de litio.

Los productos químicos catódicos son los principales componentes que controlan las diferencias de composición al construir electrodos catódicos para pilas. Los componentes del cátodo suelen ser cobalto, níquel y manganeso, que juntos crean un material de óxido multimetálico en el que se introduce el litio.

En las baterías de iones de litio se utilizan diversas sustancias químicas catódicas para satisfacer las demandas de los distintos usuarios de mayor densidad energética y capacidad de carga.

¿Cuáles son los materiales utilizados en el ánodo de las baterías de iones de litio?

El material del ánodo utilizado en la mayoría de las baterías de iones de litio es grafito en polvo. Los materiales para fabricar ánodos de grafito se sintetizan artificialmente o se extraen de la tierra y se someten a un gran procesamiento antes de colocarlos sobre la lámina de cobre. Los ánodos de grafito son razonablemente baratos, increíblemente ligeros, absorbentes y robustos. Los ánodos de grafito también satisfacen los requisitos de potencia de la mayoría de los cátodos de iones de litio más populares.

El grafito puede depositar iones de litio de forma reversible a través de sus películas multicapa, por lo que suele utilizarse como material activo en los ánodos. Para mantener esta capacidad electroquímica reversible durante varios ciclos, se necesitan baterías con electrodos adecuados.

Sin embargo, la superficie del grafito debe ajustarse a la química de una batería de iones de litio para poder utilizarse como ánodo. Éstos son los 10 principales fabricantes de material para ánodos en China que puede consultar para obtener más información.

Rendimiento de distintos cátodos en la química de las baterías de iones de litio

El LFP y el NMC son dos de los principales materiales catódicos utilizados en la química de las baterías de iones de litio. El fosfato de litio y hierro (LFP) es uno de los cátodos más populares y utilizados en la química de las baterías de iones de litio. No utiliza níquel ni cobalto, lo que lo hace más rentable y seguro.

Sin embargo, se están introduciendo mejoras para aumentar el rendimiento del LFP. Y ahora, muchas empresas de baterías están desarrollando baterías de litio hierro manganeso fosfato, que combinan las ventajas de las ternarias y las de litio hierro, al tiempo que garantizan la seguridad y la densidad energética.

El níquel manganeso cobalto (NMC) es un material catódico muy popular en las baterías de iones de litio. Es el preferido para muchos automóviles porque ofrece buen rendimiento, alta energía específica y bajo autocalentamiento. Las químicas de las baterías de NMC y LFP se comportan de forma similar, tienen características de rendimiento comparables y llevan a cabo sus funciones de forma idéntica.

Sin embargo, la LFP es la opción preferida por su asequibilidad y seguridad.

¿Cuál es la diferencia entre las pilas LFP y NMC?

LFP y NMC son las dos baterías más utilizadas actualmente en los vehículos totalmente eléctricos. Ambos tipos de baterías se emplean en diversas aplicaciones, pero el negocio de los coches eléctricos, que es el que más baterías de litio utiliza, es el más ferozmente competitivo.

La principal diferencia entre NMC y LFP es que mientras LFP utiliza una química basada en el fosfato de hierro y litio, NMC utiliza un material de cátodo basado en óxido de níquel, manganeso y cobalto.

Debido a los diferentes materiales, sus respectivos rendimientos de resistencia a la temperatura también son diferentes, batería ternaria de litio no es resistente a las altas temperaturas, los fosfatos de hierro y litio no son resistentes a las bajas temperaturas. Para más información comparativa, consulte batería lfp vs nmc.

¿Cuál es la química más segura para las baterías de iones de litio?

Las LFP se encuentran entre los productos químicos para baterías de iones de litio más seguros que existen. Las baterías de litio hierro fosfato son increíblemente seguras y muy estables porque los materiales utilizados en ellas tienen poca resistencia.

¿Qué la convierte en la batería preferida para la mayoría de las aplicaciones? El BMS integrado evita la sobrecarga y la infracarga para proteger la batería y prolongar su vida útil.

La vida útil de las baterías de iones de litio como Batería de iones de litio de 12 V tiene 4.000 ciclos. Además, la química de las baterías LFP también ofrece una excelente estabilidad térmica y puede funcionar en condiciones climáticas adversas.

¿Qué tipo de batería utiliza Tesla?

Tesla cambiará internacionalmente todos sus vehículos de gama estándar a la química de baterías de litio fosfato de hierro (LFP). Todos y cada uno de los vehículos Tesla de un solo motor y tracción trasera incluirán celdas de batería LFP. La seguridad es una de las principales consideraciones de Tesla para cambiar a la química de baterías LFP.

Nuevo desarrollo del material químico de las baterías de iones de litio

Los avances en desarrollo sostenible, densidad de energía, densidad de potencia, vida útil, son necesarios para el nuevo desarrollo de una química de baterías de iones de litio que sea fiable. Todavía hay muchas perspectivas de avance en el mercado de los cátodos de nueva generación.

Esto supone una tarea de mejora muy compleja. Los avances en el diseño y desarrollo de la química catódica, las técnicas sintéticas y las técnicas de ahorro de costes pueden proporcionar las mejoras de rendimiento necesarias a corto y largo plazo.

Conclusión

A la hora de elegir la batería ideal, ten en cuenta su rendimiento y el coste a lo largo de su vida útil.

En este escenario, las baterías de litio hierro fosfato (LFP) son la mejor opción debido a su mayor vida útil y funcionamiento más seguro. Es lógico desde el punto de vista de la eficacia operativa y el mayor factor de seguridad proporcionado.