Baterías de iones de litio y sus desafíos de fabricación

Baterías de iones de litio son fabricado en conjuntos de electrodos y luego ensamblados en celdas.El material activo se mezcla con aglutinantes de polímeros, aditivos conductores y solventes para formar una suspensión que luego se recubre sobre una lámina colectora de corriente y se seca para eliminar el solvente y crear un recubrimiento de electrodo poroso.

No hay una sola batería de iones de litio.Con la variedad de materiales y pares electroquímicos disponibles, es posible diseñar celdas de batería específicas para sus aplicaciones en términos de voltaje, estado de carga, necesidades de vida útil y seguridad.La selección de pares electroquímicos específicos también facilita el diseño de relaciones de potencia y energía y energía disponible.

La integración en una celda de gran formato requiere una fabricación optimizada de electrodos rollo a rollo y el uso de materiales activos.Los electrodos se revisten sobre una lámina colectora de corriente de metal en una estructura compuesta de material activo, aglutinantes y aditivos conductores, lo que requiere un control cuidadoso de la química coloidal, la adhesión y la solidificación.Pero los materiales inactivos agregados y el empaque celular reducen la densidad de energía.Además, el grado de porosidad y compactación del electrodo puede afectar el rendimiento de la batería.

Además de estos desafíos de materiales, el costo es una barrera importante para la adopción generalizada de esta tecnología.Se están explorando vías para traer baterías desde los 100 Wh/kg y 200 Wh/L disponibles comercialmente a $500/kWh hasta 250 Wh/kg y 400 Wh/L por solo $125/kWh.

Fundamentos de las baterías de iones de litio

La batería de iones de litio fue posible gracias al descubrimiento del óxido de cobalto de litio (LiCoO ₂ ), que permite la extracción de iones de litio y la creación de grandes cantidades de vacantes (sin cambio de cristal) hasta la eliminación de la mitad de los iones existentes.El maridaje de LiCoO ₂ con grafito permite la intercalación de iones de litio entre las capas de grafeno que ocupan el sitio intersticial entre cada anillo hexagonal de átomos de carbono (Besenhard y Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Los iones de litio viajan durante la carga desde el electrodo positivo (el cátodo) a través de un electrolito sólido o líquido hasta el electrodo negativo (el ánodo) y, durante la descarga, en la dirección opuesta.En cada electrodo, el ion mantiene su carga y se intercala en la estructura cristalina ocupando sitios intersticiales en los cristales existentes en el lado del ánodo o vuelve a ocupar un sitio vacante en el cátodo que se formó cuando el ion de litio abandonó ese cristal.Mientras transfiere el ion, la matriz huésped se reduce u oxida, lo que libera o captura un electrón. ¹

Variedad de materiales de cátodo

La búsqueda de nuevos materiales para cátodos está impulsada en parte por importantes desventajas de LiCoO ₂ .La batería tiene una temperatura central de 40 a 70 °C y puede ser susceptible a algunas reacciones a baja temperatura.Pero a 105–135°C es muy reactivo y una excelente fuente de oxígeno para un riesgo de seguridad llamado reacción de fuga térmica , en el que las reacciones altamente exotérmicas crean picos de temperatura y se aceleran rápidamente con la liberación de calor adicional (Roth 2000).

Materiales de reemplazo para LiCoO ₂ son menos propensos a ese fracaso.Los compuestos reemplazan partes del cobalto con níquel y manganeso para formar Li (Ni _X Minnesota _y Co _z )O ₂ compuestos (con X + y + z = 1), a menudo denominados NMC, ya que contienen níquel, manganeso y cobalto;o exhiben una estructura completamente nueva en forma de fosfatos (p. ej., LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Todos estos materiales de cátodo exhiben capacidades en el rango de 120 a 160 Ah/kg a 3,5 a 3,7 V, lo que da como resultado una densidad de energía máxima de hasta 600 Wh/kg.

Sin embargo, cuando se empaquetan en dispositivos reales, se agrega mucha masa de material inactivo y la densidad de energía tiende a caer a 100 Wh/kg en el nivel del paquete.Para impulsar una mayor densidad de energía, los investigadores han buscado una mayor capacidad y un mayor voltaje, y los han encontrado en óxidos de metales de transición ricos en litio y manganeso.Estos compuestos son esencialmente los mismos materiales que NMC pero un exceso de litio y cantidades más altas de manganeso reemplazan al níquel y al cobalto.Las cantidades más altas de litio (hasta un 20 por ciento más) permiten que los compuestos tengan una capacidad más alta (Thackeray et al. 2007) y un voltaje más alto, lo que da como resultado cátodos con hasta 280 Ah/kg cuando se cargan hasta 4,8 V. Sin embargo , estos nuevos compuestos muestran problemas de estabilidad y tienden a desvanecerse rápidamente.

Equilibrio de materiales en celdas

Las baterías de iones de litio están hechas de capas de electrodos porosos sobre láminas colectoras de corriente de aluminio y cobre (Daniel 2008).La capacidad de cada par de electrodos debe equilibrarse para garantizar la seguridad de la batería y evitar el riesgo de sobrecarga del ánodo (lo que puede provocar un recubrimiento de metal de litio y un cortocircuito) o una descarga excesiva del cátodo (lo que puede provocar el colapso de la estructura cristalina). y pérdida de vacantes para que el litio se reintercale, reduciendo drásticamente la capacidad).

El grafito tiene una capacidad teórica de 372 Ah/kg, el doble que el litio disponible en los cátodos NMC.Entonces, en las baterías de iones de litio balanceadas, los cátodos generalmente exhiben el doble de espesor en comparación con el ánodo.Esta falla inherente del diseño de la celda causa problemas con el transporte de masa y la cinética y, por lo tanto, impulsó la búsqueda de cátodos de alta capacidad.

Para aumentar la densidad de energía a nivel de celda, los materiales inactivos se minimizan en las celdas de la batería.Por ejemplo, una forma de reducir el colector de corriente es aumentar el grosor de los electrodos, pero esto genera aún más problemas de transporte y requiere una porosidad altamente diseñada en el electrodo.

Desafíos de costos en la fabricación de baterías de iones de litio

Los costos de las baterías de iones de litio son mucho más altos de lo que soportará el mercado automotriz para la penetración total de los vehículos eléctricos y un producto de costo neutral en comparación con los automóviles con motores de combustión interna.El objetivo de costos del Departamento de Energía de EE. UU. para todas las baterías de vehículos eléctricos es de $125/kWh de energía utilizable (DOE 2013).El costo actual de las baterías comerciales es de $400–500/kWh y su costo proyectado con los materiales experimentales actuales es de $325/kWh.La mayor parte de la reducción de costos hasta el momento se ha logrado mediante aumentos en la densidad de energía a un costo similar al de los productos de generaciones anteriores.

Es posible una mayor reducción de costos a través de la optimización de los esquemas de fabricación.Las baterías de iones de litio se fabrican en conjuntos de electrodos y luego se ensamblan en celdas.El material activo se mezcla con aglutinantes de polímeros, aditivos conductores y solventes para formar una suspensión que luego se recubre sobre una lámina colectora de corriente y se seca para eliminar el solvente y crear un recubrimiento de electrodo poroso.El disolvente de elección, N-metilpirrolidona (NMP), se considera un material indirecto (se necesita para la producción pero no está contenido en el dispositivo final), pero es costoso, exhibe vapores inflamables y es altamente tóxico.

Los vapores inflamables de NMP requieren que todo el equipo de procesamiento durante la producción de electrodos sea a prueba de explosiones, lo que significa que todos los componentes eléctricos que producen chispas deben protegerse de los vapores y los espacios deben estar muy ventilados para mantener bajas las concentraciones de vapor.Estas medidas aumentan considerablemente el costo de capital de dicho equipo.

Además, la planta de fabricación de electrodos debe recuperar el solvente de su corriente de escape, destilarlo y reciclarlo.Esto es nuevamente un costo adicional.

Reducción de costos por procesamiento a base de agua

La sustitución de NMP por agua es una gran oportunidad para reducir costes en la producción de baterías de iones de litio.El costo del agua es insignificante en comparación con el de NMP;el agua no es inflamable y no produce vapores inflamables;y el agua es ambientalmente benigna.Sin embargo, el agua es un solvente polar y su comportamiento es completamente diferente al de la NMP no polar.Además, los materiales activos tienden a aglomerarse y las superficies colectoras de corriente metálica son hidrofóbicas, lo que dificulta el proceso de recubrimiento.

El conocimiento de las cargas superficiales de las partículas (mediante la medición del potencial zeta) permite diseñar la polaridad superficial en presencia de agua mediante la introducción de pequeñas cantidades de tensioactivos.En el caso de los compuestos de intercalación de cátodos, la polietilenimida se ha utilizado con éxito para introducir una carga superficial lo suficientemente grande como para repeler partículas de modo que no formen aglomerados inaceptables (Li et al. 2013).

La comprensión de la energía superficial de los metales y la tensión superficial de la suspensión, así como su interacción, permite la optimización del par.El tratamiento con plasma atmosférico de la superficie metálica mediante la exposición a un plasma de corona elimina los compuestos orgánicos de la superficie y permite un ligero grabado y oxidación, lo que reduce drásticamente la energía superficial a valores por debajo de la tensión superficial de la suspensión.Esto permite una perfecta humectación de la superficie por el lodo y crea un recubrimiento con adherencia optimizada (Li et al. 2012).El resultado es una reducción de costos operativos y de materiales del 75 por ciento en la fabricación de electrodos y una reducción potencial de costos de hasta un 20 por ciento a nivel de paquete de baterías para aplicaciones automotrices (Wood et al. 2014).Esto no incluye el menor costo del equipo: los gastos asociados con el equipo de procesamiento de plasma son mucho más bajos que los del sistema de recuperación de solventes y el requisito a prueba de explosiones.

Oportunidades futuras para la reducción de costos

Se lograrán más reducciones de costos a través de un mayor conocimiento de los mecanismos de transporte y las implicaciones de la arquitectura de electrodos para el rendimiento electroquímico.La investigación actual se centra principalmente en el modelado y la simulación para comprender los mecanismos moleculares y mejorar el diseño de electrodos, pilas de electrodos y celdas de batería.Los electrodos más gruesos y una tremenda reducción en los materiales inactivos mejorarán la densidad de energía a un costo más bajo, reducirán los costos directos y posiblemente permitirán ciclos de formación de baterías mucho más cortos y menos intensivos en energía.

Conclusión

Las baterías de iones de litio tienen un tremendo potencial para permitir la electrificación parcial o total de la flota automotriz, diversificar las fuentes de energía para el transporte y respaldar el almacenamiento de energía a gran escala para una mayor penetración del suministro de energía renovable intermitente.Sin embargo, el costo continúa siendo un problema y deberá abordarse mediante el desarrollo de una cadena de suministro sólida, estándares en la fabricación, alto rendimiento de fabricación y métodos de procesamiento optimizados y de bajo costo.Además de reducir costos, la investigación puede mejorar el conocimiento de los procesos moleculares y los problemas de transporte para optimizar el diseño y el uso de la energía disponible en las baterías y aumentar su vida útil.

Como se muestra en este documento, un aumento en el contenido y la capacidad de energía en los materiales de electrodos activos y una reducción de los materiales indirectos en la producción son dos formas de impactar en el costo.

Expresiones de gratitud

Partes de esta investigación en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL; administrado por UT Battelle, LLC) para el Departamento de Energía de EE. UU. (bajo el contrato DE-AC05-00OR22725) fueron patrocinadas por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) Vehicle Technologies Subprograma de investigación de baterías aplicadas (ABR) de Office (VTO) (directores de programa: Peter Faguy y David Howell).El autor reconoce muchas discusiones fructíferas y contribuciones de David Wood, Jianlin Li y Debasish Mohanty del Departamento de Investigación y Desarrollo de Fabricación de Baterías del DOE en ORNL y Beth Armstrong en la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL.

Fuente del artículo：Puente de primavera： Desde las fronteras de la ingeniería y más allá