Componentes principales de las baterías de iones de litio
(1) Cátodo (electrodo positivo)– Los materiales activos incluyen principalmente óxido de litio y cobalto, manganato de litio, fosfato de litio y hierro, óxido de litio y níquel, materiales ternarios de níquel-cobalto-manganeso, etc. Generalmente se utiliza papel de aluminio con un espesor de 10 a 20 micrómetros como colector de corriente conductora.
(2) Separador– Una membrana de plástico especial que permite el paso de los iones de litio mientras aísla los electrones. Actualmente se fabrica principalmente de PE, PP o sus compuestos. También existen separadores de sólidos inorgánicos; por ejemplo, un separador recubierto de alúmina es un tipo de separador de sólidos inorgánicos.
(3) Ánodo (electrodo negativo)– Los materiales activos incluyen principalmente grafito, titanato de litio o materiales de carbono con estructuras similares al grafito. Como colector de corriente conductora se utiliza habitualmente una lámina de cobre con un espesor de 7 a 15 micrómetros.
(4) Electrólito– Generalmente un sistema orgánico, como disolventes a base de carbonatos disueltos con hexafluorofosfato de litio. Algunas baterías de polímero adoptan electrolitos de tipo gel.
(5) Caja de batería– Divididos principalmente en estuches rígidos (carcasas de acero, carcasas de aluminio, carcasas de hierro niquelado, etc.) y estuches blandos (película de aluminio y plástico).
Durante la carga, los iones de litio se desintercalan del cátodo y se intercalan en el ánodo; lo contrario ocurre durante la descarga. Un electrodo debe estar en estado de litio intercalado antes del montaje. Generalmente se seleccionan como materiales catódicos óxidos de metales de transición intercalados con litio con un potencial superior a 3 V con respecto al litio y estables en el aire, como LiCoO₂, LiNiO₂ y LiMn₂O₄.
Los materiales anódicos son compuestos intercalables de litio con potenciales lo más cercanos posible al del litio, incluidos diversos materiales de carbono (grafito natural, grafito sintético, fibra de carbono, microperlas de mesocarbono, etc.) y óxidos metálicos como SnO, SnO₂ y óxidos compuestos de estaño SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0,6, y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
El electrolito adopta un sistema de disolventes mixtos de carbonatos de alquilo, como carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC) y carbonato de dietilo de baja viscosidad (DEC) disueltos con LiPF₆.
Los separadores son películas microporosas de poliolefina de PE, PP o sus compuestos. En particular, los separadores de tres capas de PP/PE/PP presentan un punto de fusión bajo y una alta resistencia a la perforación, lo que sirve como fusible de seguridad térmica.
Las cajas están hechas de acero o aluminio y los conjuntos de cubierta están equipados con funciones a prueba de explosiones y de corte de energía.
Principio básico de funcionamiento
Cuando se carga la batería, los iones de litio se extraen de los compuestos que contienen litio en el cátodo y migran a través del electrolito hasta el ánodo. El material de carbono del ánodo tiene una estructura en capas con numerosos microporos, donde se incrustan iones de litio. Más iones de litio integrados significan una mayor capacidad de carga.
Durante la descarga (cuando la batería está en uso), los iones de litio incrustados en las capas de carbono del ánodo se extraen y migran de regreso al cátodo. Más iones de litio que regresan al cátodo corresponden a una mayor capacidad de descarga. La capacidad de la batería a la que normalmente nos referimos es la capacidad de descarga.
Durante los ciclos de carga y descarga de las baterías de iones de litio, los iones de litio van y vienen entre el cátodo y el ánodo. Esto es análogo a una mecedora: los dos extremos de la silla representan los dos electrodos, y los iones de litio se mueven repetidamente entre ellos. De ahí que las baterías de iones de litio también se conozcan como baterías de mecedora.
Mecanismo de carga-descarga
El proceso de carga de las baterías de iones de litio consta de dos etapas: carga con corriente constante y carga con voltaje constante con corriente que disminuye gradualmente.
La sobrecarga y la descarga excesiva causan daños permanentes al cátodo y al ánodo. La descarga excesiva provoca el colapso de la estructura en capas del carbono del ánodo, lo que impide que los iones de litio se intercalen durante la carga posterior. La sobrecarga incrusta un exceso de iones de litio en la estructura de carbono del ánodo, dejando algunos iones de litio permanentemente no extraíbles.
El patrón de carga y descarga óptimo para mantener el rendimiento de la batería de iones de litio es la carga y descarga superficiales. Generalmente, el ciclo de vida con una profundidad de descarga (DOD) del 60 % es de 2 a 4 veces mayor que con una DOD del 100 %.
