¿Qué materiales hay en una batería de iones de litio?

Los materiales de cátodo de última generación incluyen óxidos de metal de litio [como LiCoO ₂ LiMn ₂ O ₄ , y Li(NixMnyCoz)O ₂ ], óxidos de vanadio, olivinas (como LiFePO ₄ ) y óxidos de litio recargables. ^11,12 Los óxidos en capas que contienen cobalto y níquel son los materiales más estudiados para las baterías de iones de litio.Muestran una alta estabilidad en el rango de alto voltaje, pero el cobalto tiene una disponibilidad limitada en la naturaleza y es tóxico, lo que es un tremendo inconveniente para la fabricación en masa.El manganeso ofrece una sustitución de bajo costo con un alto umbral térmico y excelentes capacidades de velocidad pero un comportamiento de ciclo limitado.Por lo tanto, a menudo se utilizan mezclas de cobalto, níquel y manganeso para combinar las mejores propiedades y minimizar los inconvenientes.Los óxidos de vanadio tienen una gran capacidad y una excelente cinética.Sin embargo, debido a la inserción y extracción de litio, el material tiende a volverse amorfo, lo que limita el comportamiento cíclico.Los olivinos no son tóxicos y tienen una capacidad moderada con un bajo desvanecimiento debido al ciclo, pero su conductividad es baja.Se han introducido métodos para recubrir el material que compensan la baja conductividad, pero agrega algunos costos de procesamiento a la batería.

Materiales del ánodo

Los materiales del ánodo son litio, grafito, materiales de aleación de litio, intermetálicos o silicio. ¹¹ El litio parece ser el material más sencillo, pero muestra problemas con el comportamiento cíclico y el crecimiento dendrítico, lo que crea cortocircuitos.Los ánodos carbonosos son el material anódico más utilizado debido a su bajo costo y disponibilidad.Sin embargo, la capacidad teórica (372 mAh/g) es pobre en comparación con la densidad de carga del litio (3862 mAh/g).Algunos esfuerzos con nuevas variedades de grafito y nanotubos de carbono han intentado aumentar la capacidad, pero han tenido el precio de altos costos de procesamiento.Los ánodos de aleación y los compuestos intermetálicos tienen altas capacidades, pero también muestran un cambio de volumen drástico, lo que resulta en un comportamiento de ciclo deficiente.Se han realizado esfuerzos para superar el cambio de volumen utilizando materiales nanocristalinos y teniendo la fase de aleación (con Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn y otros) en una matriz de estabilización no aleado (con Co, Cu, Fe o Ni).El silicio tiene una capacidad extremadamente alta de 4199 mAh/g, correspondiente a una composición de Si ₅ li ₂₂ .Sin embargo, el comportamiento cíclico es deficiente y aún no se comprende el desvanecimiento de la capacidad.

electrolitos

Una batería segura y duradera necesita un electrolito robusto que pueda soportar el voltaje existente y las altas temperaturas y que tenga una vida útil prolongada y ofrezca una alta movilidad para los iones de litio.Los tipos incluyen electrolitos líquidos, poliméricos y en estado sólido. ¹¹ Los electrolitos líquidos son en su mayoría electrolitos orgánicos a base de solventes que contienen LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], o similar.La consideración más importante es su inflamabilidad;los solventes de mejor desempeño tienen puntos de ebullición bajos y tienen puntos de inflamación de alrededor de 30°C.Por lo tanto, la ventilación o explosión de la celda y, posteriormente, la batería representan un peligro.La descomposición de electrolitos y las reacciones secundarias altamente exotérmicas en las baterías de iones de litio pueden crear un efecto conocido como "fuga térmica".Por lo tanto, la selección de un electrolito a menudo implica un equilibrio entre la inflamabilidad y el rendimiento electroquímico.

Los separadores tienen mecanismos de apagado térmico incorporados y se agregan sofisticados sistemas externos de administración térmica a los módulos y paquetes de baterías.Los líquidos iónicos se están considerando debido a su estabilidad térmica, pero tienen importantes inconvenientes, como la disolución del litio fuera del ánodo.

Los electrolitos poliméricos son polímeros iónicamente conductores.A menudo se mezclan en compuestos con nanopartículas cerámicas, lo que da como resultado conductividades más altas y resistencia a voltajes más altos.Además, debido a su alta viscosidad y comportamiento casi sólido, los electrolitos poliméricos podrían inhibir el crecimiento de las dendritas de litio. ¹³ y, por lo tanto, podría usarse con ánodos de metal de litio.

Los electrolitos sólidos son cristales conductores de iones de litio y vidrios cerámicos.Muestran un rendimiento muy pobre a baja temperatura porque la movilidad del litio en el sólido se reduce considerablemente a bajas temperaturas.Además, los electrolitos sólidos necesitan condiciones de deposición y tratamientos de temperatura especiales para obtener un comportamiento aceptable, lo que los hace extremadamente caros de usar, aunque eliminan la necesidad de separadores y el riesgo de fuga térmica.

Separadores

P. Arora y Z. Zhang brindan una buena revisión de los materiales y las necesidades del separador. ¹⁴ Como su nombre indica, el separador de batería separa físicamente los dos electrodos entre sí, evitando así un cortocircuito.En el caso de un electrolito líquido, el separador es un material de espuma que se empapa con el electrolito y lo mantiene en su lugar.Debe ser un aislante electrónico y al mismo tiempo tener una resistencia electrolítica mínima, una estabilidad mecánica máxima y una resistencia química a la degradación en un entorno altamente electroquímicamente activo.Además, el separador a menudo tiene una característica de seguridad, llamada “apagado térmico”;a temperaturas elevadas, se derrite o cierra sus poros para detener el transporte de iones de litio sin perder su estabilidad mecánica.Los separadores se sintetizan en láminas y se ensamblan con los electrodos o se depositan en un electrodo in situ.En cuanto al costo, este último es el método preferible pero plantea algunos otros problemas de síntesis, manejo y mecánicos.Los electrolitos de estado sólido y algunos electrolitos poliméricos no necesitan separador.