La batería de iones de litio es una batería secundaria (batería recargable) que se basa principalmente en el movimiento de los iones de litio entre el electrodo positivo y el electrodo negativo para funcionar. Durante el proceso de carga y descarga, Li+ está incrustado y desembarcado entre los dos electrodos: al cargar, Li+ se desborda del electrodo positivo y se incrusta en el electrodo negativo a través del electrolito, y el electrodo negativo está en estado rico en litio; Al descargar, lo contrario es cierto.
Parte 1: Introducción a las baterías
Las baterías de litio se dividen en baterías de litio y baterías de iones de litio. Los teléfonos móviles y las computadoras portátiles utilizan baterías de iones de litio, que comúnmente se conocen como baterías de litio. Las baterías generalmente usan materiales que contienen elementos de litio como electrodos y son representativos de las baterías modernas de alto rendimiento. Sin embargo, las baterías reales de litio rara vez se usan en productos electrónicos diarios debido a su alto riesgo.
Las baterías de iones de litio fueron desarrolladas por primera vez por Sony Corporation de Japón en 1990. Incorpora los iones de litio en carbono (Coca-Cola de petróleo y grafito) para formar un electrodo negativo (las baterías de litio tradicionales utilizan litio o aleación de litio como electrodo negativo). LIXCOO2 se usa comúnmente como material de electrodo positivo, y también se usan Lixnio2 y LixmnO4. Lipf 6+ Carbonato de dietileno (EC)+carbonato de dimetilo (DMC) se usa como electrolito.
La coque y el grafito de petróleo no son tóxicos y abundantes en recursos como materiales de electrodos negativos. Los iones de litio están integrados en carbono, lo que supera la alta actividad del litio y resuelve los problemas de seguridad de las baterías de litio tradicionales. El electrodo positivo LIXCOO2 puede lograr un alto nivel en el rendimiento y la vida de la carga de carga y descarga, lo que reduce el costo. En resumen, se mejora el rendimiento integral de las baterías de iones de litio. Se espera que las baterías de iones de litio ocupen un gran mercado en el siglo XXI.
Parte 2: Diferencias de batería
Las baterías de iones de litio se confunden fácilmente con las siguientes dos baterías
Batterías de litio: use litio metálico como electrodo negativo.
Batterías de iones de litio: use electrolitos orgánicos líquidos no acuosos.
Batilizaciones de polímeros de iones de litio: use polímeros para gel de solventes orgánicos líquidos, o use directamente electrolitos totalmente sólidos. Las baterías de iones de litio generalmente usan materiales de carbono de grafito como electrodos negativos.
Parte 3: Tipos principales
Según los diferentes materiales de electrolitos utilizados en las baterías de iones de litio, las baterías de iones de litio se dividen en baterías líquidas de iones de litio (batería de iones de litio licuada, denominadas Lib), baterías condensadas de iones de litio y baterías de iones de litio de polímero (batería de iones de litio de polímero, referido como PLB).
3.1 baterías líquidas de iones de litio
Las baterías recargables de iones de litio son las baterías más utilizadas en productos digitales modernos, como teléfonos móviles y computadoras portátiles. Por lo tanto, existen componentes protectores o circuitos de protección en la batería para evitar que las baterías caras se dañen. Los requisitos de carga de la batería de iones de litio son muy altos. Para garantizar que la precisión del voltaje de terminación esté dentro de ± 1%, los principales fabricantes de dispositivos de semiconductores han desarrollado una variedad de IC de carga de batería de iones de litio para garantizar una carga segura, confiable y rápida.
Los teléfonos móviles convencionales están equipados con baterías de iones de litio. El uso correcto de las baterías de iones de litio es muy importante para extender la duración de la batería. Se puede hacer en plano rectangular, cilíndrico, rectangular y en forma de botón de acuerdo con los requisitos de diferentes productos electrónicos, y hay baterías compuestas de varias baterías conectadas en serie y paralelo. El voltaje nominal de las baterías de iones de litio es generalmente de 3.7 V debido a los cambios de material, mientras que el de los electrodos positivos de fosfato de hierro de litio es de 3.2V. El voltaje de carga final cuando está completamente cargado es generalmente de 4.2V, y el del fosfato de hierro de litio es de 3.65V. El voltaje de descarga final de las baterías de iones de litio es de 2.75V a 3. 0 V (la fábrica de baterías proporciona el rango de voltaje de funcionamiento o el voltaje de descarga final, y los parámetros son ligeramente diferentes, generalmente 3. 0 V, y el de fosfato de hierro es 2.5V). Continuando con descarga por debajo de 2.5V (2. 0 V para fosfato de hierro de litio) se llama exceso de descarga, lo que dañará la batería.
Las baterías de iones de litio con materiales tipo óxido de cobalto de litio, ya que los electrodos positivos no son adecuados para la descarga de alta corriente. La descarga de corriente excesiva reducirá el tiempo de descarga (se generará una temperatura más alta en el interior y se perderá energía), y puede ser peligroso; Pero las baterías de litio con materiales de electrodos positivos para fosfato de litio se pueden cargar y descargar a una alta corriente de 20c o aún más (C es la capacidad de la batería, como C =800 MAH, 1C La tasa de carga significa que la corriente de carga es de 800 mA), que es particularmente adecuada para vehículos eléctricos. Por lo tanto, el fabricante de la batería proporciona la corriente de descarga máxima, que debería ser menor que la corriente de descarga máxima durante el uso.
Las baterías de iones de litio tienen ciertos requisitos de temperatura. La fábrica proporciona el rango de temperatura de carga, el rango de temperatura de descarga y el rango de temperatura de almacenamiento. La carga de sobretensión causará daños permanentes a las baterías de iones de litio. La corriente de carga de las baterías de iones de litio debe basarse en las recomendaciones del fabricante de la batería, y se requiere un circuito limitante de corriente para evitar sobrecorriente (sobrecalentamiento).
La tasa de carga comúnmente utilizada es 0. 25c ~ 1c. Al cargarse con una corriente grande, la temperatura de la batería a menudo se detecta para evitar que el sobrecalentamiento dañe la batería o cause una explosión.
La carga de la batería de iones de litio se divide en dos etapas: carga de corriente constante primero, y luego la carga de voltaje constante cuando está cerca del voltaje de terminación. Por ejemplo, una batería con una capacidad de 800 mAh tiene un voltaje de carga de terminación de 4.2V. La batería se carga a una corriente constante de 800 mA (la tasa de carga es 1C). Al principio, el voltaje de la batería aumenta con una gran pendiente. Cuando el voltaje de la batería está cerca de 4.2V, se cambia a una carga de voltaje constante de 4.2V, la corriente disminuye gradualmente y el voltaje no cambia mucho. Cuando la corriente de carga cae a 1\/10-50 C (el valor de configuración de cada fábrica es diferente y no afecta el uso), se considera que está cerca de la totalidad y la carga se puede terminar (algunos cargadores inician el temporizador después de 1\/10 C y terminan la carga después de un cierto período de tiempo).
3.2 Batería condensada de iones de litio
El 19 de abril de 2023, CATL lanzó una batería condensada con una densidad de energía de hasta 500 °\/kg, que tendrá capacidad de producción en masa en 2023.
Parte 4: Principio de trabajo
Las baterías de iones de litio utilizan materiales de carbono como electrodos negativos y compuestos que contienen litio como electrodos positivos. No hay litio metálico, solo iones de litio. Esta es una batería de iones de litio. Las baterías de iones de litio se refieren al término general para baterías con compuestos incrustados de iones de litio como materiales de electrodo positivos. El proceso de carga y descarga de las baterías de iones de litio es el proceso de incrustación de iones de litio y desembocadura. En el proceso de incrustación y eliminación de iones de litio, la incrustación y la eliminación de electrones equivalentes a los iones de litio también se acompañan (es costumbre utilizar la incrustación o la eliminación para representar el electrodo positivo, e insertar o deshonrar para representar el electrodo negativo). En el proceso de carga y descarga, los iones de litio están incrustados\/desembolsados e insertados\/desertados de un lado a otro entre los electrodos positivos y negativos, que se llama vívidamente una "batería de silla mecedora".
Cuando se carga la batería, se generan iones de litio en el electrodo positivo de la batería, y los iones de litio generados se mueven al electrodo negativo a través del electrolito. El carbono como electrodo negativo tiene una estructura en capas y tiene muchos microporos. Los iones de litio que alcanzan el electrodo negativo están integrados en los microporos de la capa de carbono. Cuanto más iones de litio se incrustan, mayor será la capacidad de carga. Del mismo modo, cuando la batería está descargada (es decir, el proceso de usar la batería), los iones de litio incrustados en la capa de carbono del electrodo negativo se liberan y vuelven al electrodo positivo. Cuanto más iones de litio vuelvan al electrodo positivo, mayor será la capacidad de descarga.
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En general, la corriente de carga de las baterías de litio se establece entre 0. 2c y 1c. Cuanto más grande sea la corriente, más rápido será la carga y mayor será el calor de la batería. Además, si la corriente es demasiado grande, la capacidad no estará llena, porque la reacción electroquímica dentro de la batería lleva tiempo. Al igual que verter cerveza, si la vierte demasiado rápido, producirá espuma y no estará llena.
Parte 5: Componentes
Serie de caparazón de acero\/aluminio\/cilíndrico\/envasado suave
Electrodo positivo: el material activo es generalmente de óxido de manganeso de litio o óxido de cobalto de litio, material de óxido de manganeso de cobalto de níquel, y las bicicletas eléctricas generalmente usan óxido de manganeso de cobalto de níquel (comúnmente conocido como ternario) o ternario + una pequeña cantidad de óxido de litio manganeso. El óxido de manganeso de litio puro y el fosfato de hierro de litio se desvanecen gradualmente debido al gran tamaño, el bajo rendimiento o el alto costo. El colector de corriente conductora utiliza papel de aluminio electrolítico con un grosor de 10-20 micras.
Diafragma: una película de polímero especialmente formada con una estructura microporosa que permite que los iones de litio pasen libremente, pero los electrones no pueden pasar.
Electrodo negativo: el material activo es grafito, o carbono con una estructura similar a un grafito, y el colector de corriente conductora usa lámina de cobre electrolítico con un grosor de micras 7-15}.
Electrolito: solventes de carbonato que disuelven hexafluorofosfato de litio, mientras que los polímeros usan electrolitos de gel.
Concha de la batería: dividida en la cáscara de acero (raramente usada en baterías cuadradas), carcasa de aluminio, carcasa de hierro con níquel (usada en baterías cilíndricas), película de plástico de aluminio (envasado suave), etc., así como la tapa de la batería, que también es el terminal positivo y negativo de la batería.
Parte 6: Composición de la batería
Al igual que todas las baterías químicas, las baterías de iones de litio también están compuestas de tres partes: electrodo positivo, electrodo negativo y electrolito. Los materiales de los electrodos son todos iones de litio que se pueden incrustar (insertar)\/desembolsado (desertado).
6.1 Materiales de electrodos positivos
1) Materiales de electrodo positivos
Existen muchos materiales de electrodo positivos opcionales, y los productos convencionales utilizan principalmente fosfato de hierro de litio. Comparación de diferentes materiales de electrodo positivos:
| Material de cátodo | Voltaje de salida promedio | Densidad de energía |
| Licoo2 | 3.7 V | 140 mAh\/g |
| Li2mno3 | 3.7 V | 100 mAh\/g |
| Lifepo4 | 3.2 V | 130 mAh\/g |
| Li2fepo4f | 3.6 V | 115 mAh\/g |
2) Reacción positiva del electrodo
Los iones de litio se insertan durante la descarga y se desintercalan durante la carga.
Al cargar: lifepo4 → li 1- xfepo 4 + xli ++ xe-
Al descargar: li 1- xfepo 4+ xli ++ xe- → lifepo4
6.2 Materiales de electrodos negativos
1) Materiales de electrodos negativos
El grafito se usa principalmente. Una nueva investigación ha encontrado que los titanatos pueden ser un mejor material. Reacción negativa del electrodo: los iones de litio se insertan durante la carga y se desintercalan durante la descarga.
Al cargar: xli ++ xe -+ 6 C → LIXC6
Al descargar: LIXC6 → XLI ++ xe -+ 6 C
Generalmente dividido en las siguientes categorías:
Materiales de electrodos negativos de carbono: los materiales de electrodo negativos que realmente se usan en las baterías de iones de litio son básicamente materiales de carbono, como grafito artificial, grafito natural, microperlas de carbono mesofase, Coca-Cola de petróleo, fibra de carbono, carbono de resina pirolítica, etc.
Materiales de electrodo negativos a base de estaño: los materiales de electrodo negativos a base de estaño se pueden dividir en dos tipos: óxido de estaño y óxido compuesto a base de estaño. El óxido se refiere a óxidos de varios estados de valencia de estaño de metal. No hay productos comerciales.
Nitruro de metal de transición de transición que contiene litio Materiales de electrodo negativo: sin productos comerciales.
Materiales de electrodos negativos de aleación: incluyendo aleaciones a base de estaño, aleaciones a base de silicio, aleaciones a base de germanio, aleaciones a base de aluminio, aleaciones a base de antimonio, aleaciones a base de magnesio y otras aleaciones, sin productos comerciales.
Materiales de electrodos negativos de nano escala: tubos de carbono nano, materiales de aleación nano.
Los materiales nano son materiales de nano óxido: según las últimas tendencias de desarrollo del mercado de la industria energética de la nueva batería de litio en 2009, muchas compañías han comenzado a utilizar el óxido de nano titanio y el óxido de nano silicio para agregar a los tubos tradicionales de grafito, óxido de estaño y nano carbono, mejorando en gran medida la capacidad de carga y descarga y la carga y los tiempos de descarga de las baterías de litio.
6.3 electrolito
Soluto: las sales de litio a menudo se usan, como perclorato de litio (Liclo4), hexafluorofosfato de litio (LIPF6) y tetrafluoroborato de litio (libf4).
Solvente: dado que el voltaje de trabajo de la batería es mucho más alto que el voltaje de descomposición del agua, los solventes orgánicos a menudo se usan en baterías de iones de litio, como el éter, el carbonato de etileno, el carbonato de propileno, el carbonato de dietilo, etc., etc. Los solventes orgánicos destruyen la estructura de la grafa durante la carga, lo que lleva a la desplazamiento y forma un electrolíteo interphase (se produce en la superficie de la superficie sólida. Los solventes orgánicos también traen problemas de seguridad como la inflamabilidad y la explosión.
6.4 recubrimiento conductivo
Foil de aluminio recubierto de carbono para baterías (recubrimiento conductor)
Ventajas de la lámina de aluminio recubierto de carbono en aplicaciones de batería de iones de litio
Inhibir la polarización de la batería, reducir los efectos térmicos y mejorar el rendimiento de la velocidad;
Reducir la resistencia interna de la batería y reducir significativamente el aumento dinámico de resistencia interna durante el proceso de ciclo;
Alta consistencia, aumentar la vida útil del ciclo de la batería;
Alta adhesión entre sustancias activas y coleccionistas actuales, reduciendo el costo de fabricación de las piezas de los postes;
Proteger al colector de corriente de ser corroída por el electrolito;
Mejore el rendimiento del procesamiento de los materiales de fosfato de hierro de litio y titanato de litio.
El uso de recubrimientos funcionales para tratar la superficie del sustrato conductor de la batería es una innovación tecnológica innovadora. La lámina de aluminio\/lámina de cobre recubierto de carbono es para cubrir uniformemente y finamente el grafito nano-conductivo disperso y las partículas recubiertas de carbono en la lámina de aluminio\/lámina de cobre. Puede proporcionar una excelente conductividad estática y recolectar la microcorriente del material activo, reduciendo así la resistencia de contacto entre el material de electrodo positivo\/negativo y el colector, y puede mejorar la adhesión entre los dos, lo que puede reducir la cantidad de aglutinante utilizada, mejorando significativamente el rendimiento general de la batería. El recubrimiento se divide en dos tipos: a base de agua (sistema acuoso) y a base de aceite (sistema de solventes orgánicos).
Parte 7: Ventajas y desventajas
7.1 Ventajas
Voltaje alto: el voltaje de funcionamiento de una sola celda es tan alto como 3. 7-3. 8V (3.2V para fosfato de hierro de litio), que es 3 veces mayor que las de las baterías Ni-CD y Ni-MH.
Gran energía específica: la energía específica real que se puede lograr es de aproximadamente 555wh\/kg, es decir, el material puede alcanzar una capacidad específica de más de 150 mAh\/g (3-4} veces que de Ni-CD, 2-3} de Ni-MH), que está cerca de aproximadamente el 88% de su valor teórico.
Vida larga del ciclo: en general, puede alcanzar más de 500 veces, o incluso más de 1000 veces, y el fosfato de hierro de litio puede alcanzar 8000 veces. Para los electrodomésticos con descarga de corriente pequeña, la vida útil de la batería duplicará la competitividad del aparato.
Buen rendimiento de seguridad: sin contaminación, sin efecto de memoria. Como predecesor de iones de litio, las baterías de litio han reducido sus áreas de aplicación porque el litio metálico es fácil de formar dendritas y cortocircuito: el ion Li no contiene cadmio, plomo, mercurio y otros elementos que contaminan el medio ambiente; Un inconveniente importante de las baterías Ni-CD en algunos procesos (como la sinterización) es el "efecto de memoria", que restringe seriamente el uso de baterías, pero Li-ion no tiene este problema en absoluto.
Baja autodescargo: la tasa de autolargo de las baterías de iones de litio completamente cargadas almacenadas a temperatura ambiente durante un mes es de aproximadamente el 2%, que es mucho más baja que el 25-30% de Ni-CD y 30-35% de Ni-MH.
Carga rápida: la capacidad de la carga de 1C durante 30 minutos puede alcanzar más del 80% de la capacidad nominal, y la batería de fósforo de hierro se puede cargar al 90% de la capacidad nominal en 10 minutos.
Temperatura de funcionamiento: la temperatura de funcionamiento es -25 ~ 45 grados. Con la mejora del electrolito y el electrodo positivo, se espera que se amplíe a -40 ~ 70 grados.
7.2 Desventajas
Envejecimiento: a diferencia de otras baterías recargables, la capacidad de las baterías de iones de litio disminuirá lentamente, lo que está relacionado con la cantidad de veces utilizadas y la temperatura. Este fenómeno de declive puede expresarse mediante una disminución en la capacidad o un aumento en la resistencia interna. Debido a que está relacionado con la temperatura, es más probable que se refleje en productos electrónicos con alta corriente de trabajo. Reemplazar el grafito con titanato de litio parece extender la vida. La relación entre la temperatura de almacenamiento y la tasa de pérdida de capacidad permanente:
