de qué está hecha una batería de iones de litio？
La célula de batería de iones de litio consta de sólo cinco partes, y hay unos 10~20 tipos de materiales relacionados con la célula.
La batería consta de un material catódico, un material anódico y un colector de fluido correspondiente, separados por un separador entre el cátodo y el ánodo, y sus componentes principales son polipropileno y plástico de polietileno.
Los materiales del ánodo y del cátodo se recubren en el fluido colector y el separador se engarza o lamina para formar un núcleo de bobina, y luego se introduce 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.
Materiales para cátodos de baterías de iones de litio
La batería de iones de litio es un sistema muy complejo formado por distintos tipos de materiales de electrodo, cada uno con características de rendimiento diferentes. Entre los materiales de cátodo que se han comercializado están el fosfato de hierro y litio, el ácido de cobalto y litio, el ácido de manganeso y los materiales ternarios de níquel, manganeso y aluminio. Los distintos fabricantes utilizan cinco materiales catódicos y los combinan con distintos materiales anódicos para conseguir propiedades específicas. Algunos fabricantes mezclan diferentes materiales catódicos, con la esperanza de que los distintos materiales puedan complementarse entre sí para mejorar el rendimiento global de la célula.
Fosfato de hierro y litio es un material de cátodo habitual en las baterías de iones de litio para automóviles. Comparado con otros materiales de electrodo que contienen metales no ferrosos, el fosfato de hierro y litio tiene abundantes materias primas y un precio más bajo, lo que resulta adecuado para aplicaciones a gran escala. La alta potencia también es adecuada para aplicaciones prácticas, ya que permite una carga rápida y una mejor potencia para los coches. También hay una razón importante por la que el litio hierro fosfato se considera una batería "segura". Esto no es exacto, porque todas las baterías de iones de litio tienen procesos de fuga térmica similares, sólo diferentes temperaturas a las que se puede alcanzar la fuga térmica. Sin embargo, hay que reconocer que, en todas las baterías de iones de litio, las de fosfato de hierro y litio tienen una tolerancia relativamente buena a la sobrecarga, las altas temperaturas y otras condiciones de abuso. Sin embargo, la baja densidad energética y el limitado rango de conducción de la batería de litio hierro fosfato son las principales deficiencias en la aplicación de la batería de litio hierro fosfato en el campo del vehículo eléctrico puro.
Con la creciente demanda de densidad energética de las baterías de los vehículos eléctricos, materiales catódicos ternarios están recibiendo cada vez más atención. Con material ternario como electrodo catódico y grafito como electrodo anódico, el rango de tensión de descarga es de unos 3,6~3,8V. En las actuales baterías comerciales de iones de litio, la densidad energética es relativamente alta, la energía específica es de 140~180 Wh /kg, y los productos de algunos fabricantes pueden alcanzar los 200 Wh /kg.
Baterías de iones de litio y cobalto se utilizan principalmente en productos electrónicos portátiles, como teléfonos móviles, cámaras, ordenadores portátiles, etc. Aunque el cobalato de litio tiene una densidad de energía y un ciclo de vida elevados, su seguridad térmica es deficiente. El desbordamiento térmico se produce cuando la temperatura es superior a 130℃, mientras que la temperatura umbral de desbordamiento térmico de otros sistemas de baterías es relativamente más alta. Por este motivo, el óxido de litio y cobalto suele utilizarse en pequeños aparatos electrónicos de consumo y rara vez en grandes aplicaciones energéticas, y algunos fabricantes han prohibido el óxido de litio y cobalto en los vehículos eléctricos.
Batería de iones de litio con terpolímero de níquel-cobalto-aluminio como electrodo catódico tienen la mayor energía específica de todas las baterías de iones de litio. Se utilizan habitualmente en la alimentación de móviles, y su aplicación en vehículos eléctricos ha sido controvertida por su elevado coste, pero el problema más importante es su escasa seguridad.
Material catódico de manganato de litio tiene las características de bajo coste, buena seguridad y alta potencia, pero el ciclo de vida es relativamente corto, especialmente la vida de alta temperatura es difícil de satisfacer las necesidades de la batería de energía, por lo que la aplicación actual es limitada.
Materiales para ánodos de baterías de iones de litio
En la actualidad, las baterías comerciales de iones de litio utilizan principalmente grafito, carbono blando o carbono duro como electrodo anódico. Hay muchos tipos de materiales de grafito, y los diferentes tipos de materiales tienen una gran influencia en el rendimiento de la célula. Con el desarrollo de la batería de iones de litio, el ánodo de titanato de litio ha atraído gran atención. La temperatura de funcionamiento más baja del ánodo de titanato de litio puede alcanzar los -40℃, lo que le confiere excelentes características de potencia, estabilidad de ciclo y alta seguridad. Sin embargo, el voltaje de funcionamiento de la batería de ion titanato de litio es relativamente bajo, generalmente en 2,2~2,3V, y el precio es aún más caro que el terpolímero y el fosfato de hierro y litio. Algunos fabricantes están empeñados en reducir el precio del titanato de litio, de modo que resulte adecuado para aplicaciones de baja densidad energética, alta potencia y larga duración, como los vehículos eléctricos microhíbridos y los autobuses eléctricos.
Hay muchos estudios teóricos y prácticos sobre nuevos materiales para ánodos. El silicio, el estaño, el germanio, los nanotubos de carbono y otros nanocompuestos están bien desarrollados en el laboratorio, pero ninguno puede fabricarse en serie.Hay muchas posibilidades de mejorar la densidad energética de las baterías desde la perspectiva de los polos anódicos. Pero aunque se puedan comercializar materiales de gran volumen, aún quedan muchos obstáculos. Por ejemplo, el ánodo de silicio, durante el proceso de carga y descarga, el material con enorme expansión y contracción de volumen, por un lado, la eficiencia del ciclo es baja. Por otro lado, el volumen total de la batería cambia demasiado, no puede adaptarse a aplicaciones a gran escala. La mayoría de estos materiales se encuentran actualmente en el laboratorio, pero se espera superar estas deficiencias y comercializarlos en un futuro próximo.
Los materiales separadores de la batería de iones de litio
El separador suele ser de plástico, cerámica o una combinación de ambas películas, y su función principal es aislar los polos catódico y anódico. Si el separador falta o está dañado, el contacto entre los polos del cátodo y el ánodo provocará un cortocircuito interno, lo que resultará en el fallo de la batería. Por lo tanto, debemos evitar el daño del separador .
En la actualidad, el separador utilizado en las baterías comerciales de iones de litio es un separador de plástico compuesto multicapa de polietileno poroso o polietileno-polipropileno. Este separador permite el paso de los iones de litio al tiempo que evita el contacto entre los polos catódico y anódico. Algunos fabricantes utilizan tres capas de polipropileno / polietileno / polipropileno membrana compuesta, cuando la temperatura de la batería a 135 ℃, en medio de la fusión de polietileno con película de polipropileno exterior sigue siendo completa estructura para proporcionar soporte mecánico, la fusión de polietileno hace agujeros cerrados en una membrana densa, obstaculizar los iones de litio, y por lo tanto evitar la reacción de las células siguen sucediendo.
La mayoría de separador de polímero en la temperatura de la batería de iones de litio no es muy alta (como 90 ~ 110 deG C) comenzará a derretirse y encogerse, a menudo causan cortocircuito interno y otros accidentes, por lo que algunos fabricantes añadir partículas de cerámica en el separador para mejorar la estabilidad dimensional térmica del separador, y luego mejorar la seguridad de la batería de iones de litio. Al mismo tiempo, la adición de partículas cerámicas puede reducir la resistencia interna y mejorar la eficiencia de la batería.
Los materiales electrolíticos de la batería de iones de litio
En la actualidad, los electrolitos utilizados en las baterías comerciales suelen estar en estado líquido o gel y se utilizan principalmente como medios de transporte de iones. El electrodo de la batería de iones de litio se sumerge en electrolito, cuyo disolvente es carbonato de alquilo (como carbonato de etileno, carbonato de dimetilo, carbonato de dietilo, carbonato de metil etilo, etc.), y la sal de litio es hexafluorofosfato de litio (LiPF). Además, para mejorar la estabilidad electroquímica y la estabilidad térmica del electrolito, se suelen añadir diversos aditivos. El tipo y la dosificación de los aditivos utilizados por los fabricantes de pilas suelen ser el "arma secreta"
Los distintos aditivos para electrolitos tienen funciones diferentes. La función de la mayoría de los aditivos es promover la formación de la película SEI, reducir la pérdida de capacidad y la generación de gas, y aumentar la estabilidad térmica de la célula. Por ejemplo, en las celdas cuadradas o cilíndricas, los aditivos pueden generar gas a una temperatura específica, permitiendo que el Dispositivo de Interrupción de Corriente (CID) funcione para proteger la celda. La formación de la película SEI es una de las funciones importantes del electrolito. En el proceso de litificación, el electrolito reacciona en la superficie para formar una película de pasivación de electrolito sólido que sólo conduce iones de litio, también conocida como película SEI. La película SEI se forma generalmente en el primer ciclo, lo que provoca una pérdida irreversible de capacidad. Sin embargo, esta película impide que el material del ánodo reaccione continuamente con el electrolito, por lo que el control de la película SEI contribuye a la estabilidad del sistema de baterías de iones de litio.
Cuando la batería falla o la célula se rompe, el electrolito causará grandes daños. Debido al uso actual del electrolito de la batería de iones de litio son electrolito orgánico inflamable, en el control térmico de la batería, la fuga de electrolito de la célula dará lugar a la explosión y otras reacciones violentas. Por ello, el electrolito de gel, el electrolito sólido y el electrolito de agua han atraído gran atención en los últimos años. Los electrolitos en gel tienen mucho en común con los electrolitos líquidos, pero son mucho menos inflamables. Los electrolitos sólidos poliméricos se han probado en varias fábricas, normalmente recubriendo directamente los separadores o los materiales de los electrodos catódicos, pero aún no se han producido en serie.
