Desarrollo y estructura de las baterías de litio

La batería de litio es un nuevo tipo de batería de alta energía desarrollada con éxito en el siglo XX. Con la propuesta de "neutralidad de carbono" y "pico de carbono", la batería de litio se ha convertido en el foco de atención de todos los sectores. Hoy, CHNL te guiará para entender el desarrollo y la estructura de la batería de litio.

Introducción a las baterías de litio

Las baterías de litio pueden entenderse como baterías que contienen elementos de litio (incluyendo litio metálico, aleaciones de litio, iones de litio, polímeros de litio), y pueden dividirse en baterías de litio metálico (muy raramente producidas y usadas) y baterías de litio (de uso masivo hoy en día). Debido a su alta energía específica, alto voltaje de batería, amplio rango de temperatura de operación y larga vida de almacenamiento, se ha utilizado ampliamente en pequeños aparatos eléctricos militares y civiles, como teléfonos móviles, computadoras portátiles, videocámaras, cámaras, etc., reemplazando parcialmente a las baterías tradicionales.

El origen y desarrollo de las baterías de litio

En la década de 1970, M.S. Whittingham de Exxon usó sulfuro de titanio como material de electrodo positivo y litio metálico como material de electrodo negativo para fabricar la primera batería de litio.
En 1980, J. Goodenough descubrió que el óxido de cobalto de litio podía usarse como material catódico para baterías de litio.

En 1982, R.R.Agarwal y J.R.Selman del Instituto de Tecnología de Illinois (Illinois Institute of Technology) descubrieron que los iones de litio tienen la característica de intercalar grafito, y este proceso es rápido y reversible. Al mismo tiempo, los riesgos de seguridad de las baterías de litio hechas de litio metálico han atraído mucha atención. Por lo tanto, se intentó usar las características de los iones de litio incrustados en grafito para fabricar baterías recargables. El primer electrodo de grafito de iones de litio utilizable fue producido con éxito en pruebas en los Laboratorios Bell.

En 1983, M. Thackeray, J. Goodenough y otros encontraron que el espinela de manganeso es un excelente material catódico, con bajo precio, estabilidad y excelente conductividad y conductividad de litio. Su temperatura de descomposición es alta, y su propiedad oxidante es mucho menor que la del óxido de cobalto de litio. Incluso si hay un cortocircuito o sobrecarga, puede evitar el peligro de incendio y explosión.
En 1991, Sony lanzó la primera batería comercial de litio. Posteriormente, las baterías de litio revolucionaron el panorama de la electrónica de consumo.

En 1996, Padhi y Goodenough encontraron que los fosfatos con estructura de olivino, como el fosfato de hierro y litio (LiFePO4), son superiores a los materiales catódicos tradicionales, por lo que se han convertido en los materiales catódicos principales actuales.
Las baterías de litio (baterías Li-ion) se desarrollan a partir de las baterías de litio. Así que antes de introducir las Li-ion, primero presentemos las baterías de litio. Por ejemplo, una batería de botón es una batería de litio. El material del electrodo positivo de la batería de litio es dióxido de manganeso o cloruro de tionilo, y el electrodo negativo es litio. Después de ensamblar la batería, esta tiene voltaje y no necesita ser cargada. Este tipo de batería también puede ser cargada, pero el rendimiento del ciclo no es bueno. Durante el ciclo de carga y descarga, es fácil formar dendritas de litio, lo que provoca un cortocircuito interno de la batería, por lo que en general, está prohibido cargar este tipo de batería.

Más tarde, la Corporación Sony de Japón inventó una batería de litio con material de carbono como electrodo negativo y un compuesto que contiene litio como electrodo positivo. Durante el proceso de carga y descarga, no hay litio metálico, solo iones de litio. Esta es una batería de litio.
A principios de la década de 1990, la Corporación de Desarrollo de Energía Sony de Japón y la Corporación Moli Energy de Canadá desarrollaron con éxito nuevas baterías de iones de litio, que no solo tienen buen rendimiento, sino que tampoco contaminan el medio ambiente. Con el rápido desarrollo de la tecnología de la información, la maquinaria portátil y los vehículos eléctricos, la demanda de fuentes de energía de alta eficiencia ha crecido rápidamente, y las baterías de litio se han convertido en uno de los campos de crecimiento más rápido.

La estructura de la batería de litio

Los componentes principales de las baterías de litio:
(1) Electrodo positivo - los materiales activos se refieren principalmente a óxido de cobalto de litio, manganato de litio, fosfato de hierro y litio, niquelato de litio, manganato de níquel y cobalto de litio, etc. El colector de corriente conductor generalmente usa una lámina de aluminio con un grosor de 10 a 20 micrones;
(2) Diafragma - una película plástica especial que permite el paso de iones de litio, pero es un aislante electrónico. Actualmente, principalmente hay PE y PP y sus combinaciones. También existe un tipo de diafragma sólido inorgánico, como el recubrimiento de diafragma de alúmina que es un tipo de diafragma sólido inorgánico;

(3) Electrodo negativo - el material activo se refiere principalmente a grafito, titanato de litio o material de carbono con estructura similar al grafito, y el colector de corriente conductor generalmente usa lámina de cobre con un grosor de 7 a 15 micrones;
(4) Electrolito - generalmente un sistema orgánico, como un disolvente de carbonato disuelto con hexafluorofosfato de litio, y algunas baterías de polímero usan un electrolito en gel;
(5) Carcasa de la batería - principalmente dividida en dos tipos: carcasa dura (carcasa de acero, carcasa de aluminio, carcasa de hierro niquelado, etc.) y carcasa blanda (película aluminio-plástico).

Cuando la batería se carga, los iones de litio se desintercalan del electrodo positivo y se intercalan en el electrodo negativo, y viceversa al descargar. Esto requiere que un electrodo esté en un estado de intercalación de litio antes del ensamblaje. Generalmente, se selecciona un óxido metálico de transición con intercalación de litio con un potencial mayor a 3V respecto al litio y estable en aire como electrodo positivo, como LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Como material del electrodo negativo, se selecciona un compuesto de litio intercalable con un potencial lo más cercano posible al potencial del litio, como varios materiales de carbono incluyendo grafito natural, grafito sintético, fibra de carbono, carbono esférico mesofásico, etc. y óxidos metálicos, incluyendo SnO, SnO2, óxido compuesto de estaño SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) etc.
El electrolito adopta un sistema de disolvente mixto de LiPF6 carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC) y carbonato de dietilo (DEC) de baja viscosidad y otros carbonatos de alquilo.

El diafragma adopta una película microporosa de poliolefina como PE, PP o su película compuesta, especialmente el diafragma de tres capas PP/PE/PP que no solo tiene un punto de fusión bajo, sino también una alta resistencia a la perforación, lo que cumple una función de seguro térmico.
La carcasa está hecha de acero o aluminio, y el conjunto de la tapa tiene la función de prueba de explosión y corte de energía.
Bueno, lo anterior es todo sobre las baterías de litio hoy. Desde el nacimiento de las baterías de litio en 1970, han desarrollado rápidamente. Las baterías de litio han penetrado en todos los aspectos de nuestras vidas, y todavía tienen enormes perspectivas de desarrollo en el futuro.
Espero que el contenido anterior te sea útil, se actualizará más información continuamente, nos vemos en la próxima edición.