¿Qué son las baterías de iones de litio?

1 ¿Qué son las baterías de iones de litio?

Una batería es una fuente de energía eléctrica que consta de una o más celdas electroquímicas con conexiones externas para alimentar dispositivos eléctricos. Una batería de iones de litio o Li-ion es un tipo de batería recargable que utiliza la reducción reversible de iones de litio para almacenar energía y es famosa por su alta densidad energética.

2 La estructura de las baterías de iones de litio

Generalmente, la mayoría de las baterías de iones de litio comerciales utilizan compuestos de intercalación como materiales activos. Por lo general, constan de varias capas de materiales dispuestos en un orden específico para facilitar el proceso electroquímico que permite a la batería almacenar y liberar energía: ánodo, cátodo, electrolito, separador y colector de corriente.

¿Qué es el ánodo?

Como componente de la batería, el ánodo juega un papel importante en la capacidad, el rendimiento y la durabilidad de la batería. Durante la carga, el ánodo de grafito se encarga de aceptar y almacenar iones de litio. Cuando la batería se descarga, los iones de litio pasan del ánodo al cátodo para crear una corriente eléctrica. Generalmente, el ánodo más comúnmente utilizado comercialmente es el grafito, que en su estado completamente litiado de LiC6 se correlaciona con una capacidad máxima de 1339 C/g (372 mAh/g). Pero con el desarrollo de las tecnologías, se han investigado nuevos materiales como el silicio para mejorar las densidades de energía de las baterías de iones de litio.

¿Qué es el cátodo?

El cátodo trabaja para aceptar y liberar iones de litio cargados positivamente durante los ciclos actuales. Por lo general, consta de una estructura en capas de un óxido en capas (como el óxido de litio y cobalto), un polianión (como el fosfato de litio y hierro) o una espinela (como el óxido de litio y manganeso) recubierta sobre un colector de carga (generalmente hecho de aluminio). 

¿Qué es el electrolito?

Como sal de litio en un disolvente orgánico, el electrolito sirve como medio para que los iones de litio se muevan entre el ánodo y el cátodo durante la carga y descarga.

¿Qué es el separador?

Como membrana delgada o capa de material no conductor, el separador funciona para evitar que el ánodo (electrodo negativo) y el cátodo (electrodo positivo) se cortocircuiten, ya que esta capa es permeable a los iones de litio pero no a los electrones. También puede garantizar el flujo constante de iones entre los electrodos durante la carga y descarga. Por tanto, la batería puede mantener un voltaje estable y reducir el riesgo de sobrecalentamiento, combustión o explosión.

¿Qué es el coleccionista actual?

El colector de corriente está diseñado para recolectar la corriente producida por los electrodos de la batería y la transporta al circuito externo, lo cual es importante para garantizar el rendimiento óptimo y la longevidad de la batería. Y normalmente está hecho de una fina lámina de aluminio o cobre.

3 La historia del desarrollo de las baterías de iones de litio

La investigación sobre baterías recargables de iones de litio se remonta a la década de 1960; uno de los primeros ejemplos es una batería de CuF2/Li desarrollada por la NASA en 1965 Y la crisis del petróleo golpeó al mundo en la década de 1970, los investigadores dirigieron su atención a fuentes alternativas de energía, por lo que el avance que produjo la forma más temprana de la batería de iones de litio moderna se logró debido al peso ligero y la alta densidad de energía de las baterías de iones de litio. Al mismo tiempo, Stanley Whittingham de Exxon descubrió que se podían insertar iones de litio en materiales como el TiS2 para crear una batería recargable. 

Entonces intentó comercializar esta batería pero fracasó debido al alto costo y la presencia de litio metálico en las celdas. En 1980 se descubrió que un nuevo material ofrecía un voltaje más alto y era mucho más estable en el aire, lo que más tarde se usaría en la primera batería comercial de iones de litio, aunque por sí solo no resolvió el persistente problema de la inflamabilidad. Ese mismo año, Rachid Yazami inventó el electrodo (ánodo) de grafito de litio. Y luego, en 1991, las primeras baterías recargables de iones de litio del mundo comenzaron a llegar al mercado. En la década de 2000, la demanda de baterías de iones de litio aumentó a medida que los dispositivos electrónicos portátiles se hicieron populares, lo que hace que las baterías de iones de litio sean más seguras y duraderas. Los vehículos eléctricos se introdujeron en la década de 2010, lo que creó un nuevo mercado para las baterías de iones de litio. 

El desarrollo de nuevos procesos y materiales de fabricación, como ánodos de silicio y electrolitos de estado sólido, siguió mejorando el rendimiento y la seguridad de las baterías de iones de litio. Hoy en día, las baterías de iones de litio se han vuelto imprescindibles en nuestra vida diaria, por lo que se continúa la investigación y el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías para mejorar el rendimiento, la eficiencia y la seguridad de estas baterías.

4.Los tipos de baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio vienen en una variedad de formas y tamaños, y no todas son iguales. Normalmente existen cinco tipos de baterías de iones de litio.

l Óxido de litio y cobalto

Las baterías de óxido de litio y cobalto se fabrican a partir de carbonato de litio y cobalto y también se conocen como baterías de cobalto de litio o de iones de litio. Tienen un cátodo de óxido de cobalto y un ánodo de grafito y carbono, y los iones de litio migran del ánodo al cátodo durante la descarga, invirtiéndose el flujo cuando se carga la batería. En cuanto a su aplicación, se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía renovable debido a su alta energía específica, baja tasa de autodescarga, alto voltaje de funcionamiento y amplio rango de temperaturas. Pero preste atención a las preocupaciones de seguridad relacionadas. al potencial de fuga térmica e inestabilidad a altas temperaturas.

l Óxido de litio y manganeso

El óxido de litio y manganeso (LiMn2O4) es un material catódico que se usa comúnmente en baterías de iones de litio. La tecnología para este tipo de batería se descubrió inicialmente en la década de 1980, con la primera publicación en el Materials Research Bulletin en 1983. Una de las ventajas del LiMn2O4 es que tiene buena estabilidad térmica, lo que significa que es menos probable que experimente una fuga térmica, que también es más segura que otros tipos de baterías de iones de litio. Además, el manganeso es abundante y está ampliamente disponible, lo que lo convierte en una opción más sostenible en comparación con los materiales catódicos que contienen recursos limitados como el cobalto. Como resultado, se encuentran con frecuencia en equipos y dispositivos médicos, herramientas eléctricas, motocicletas eléctricas y otras aplicaciones. A pesar de sus ventajas, el LiMn2O4 tiene una peor estabilidad cíclica en comparación con el LiCoO2, lo que significa que puede requerir un reemplazo más frecuente, por lo que puede no ser tan adecuado para sistemas de almacenamiento de energía a largo plazo.

l Fosfato de hierro y litio (LFP)

El fosfato se utiliza como cátodo en las baterías de fosfato de hierro y litio, a menudo conocidas como baterías de lifosfato. Su baja resistencia ha mejorado su estabilidad térmica y seguridad. También son famosas por su durabilidad y su largo ciclo de vida, lo que las convierte en la opción más rentable frente a otros tipos de baterías de iones de litio. En consecuencia, estas baterías se utilizan frecuentemente en bicicletas eléctricas y otras aplicaciones que requieren un ciclo de vida prolongado y altos niveles de seguridad. Pero sus desventajas dificultan su rápido desarrollo. En primer lugar, en comparación con otros tipos de baterías de iones de litio, cuestan más porque utilizan materias primas raras y caras. Además, las baterías de fosfato de hierro y litio tienen un voltaje de funcionamiento más bajo, lo que significa que pueden no ser adecuadas para algunas aplicaciones que requieren un voltaje más alto. Su mayor tiempo de carga lo convierte en una desventaja en aplicaciones que requieren una recarga rápida.

l Óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC)

Las baterías de litio, níquel, manganeso y óxido de cobalto, a menudo conocidas como baterías NMC, están construidas con una variedad de materiales que son universales en las baterías de iones de litio. Se incluye un cátodo construido con una mezcla de níquel, manganeso y cobalto. Su alta densidad de energía, buen rendimiento cíclico y larga vida útil lo han convertido en la primera opción en vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento en red y otras aplicaciones de alto rendimiento, lo que ha contribuido aún más a la creciente popularidad de los vehículos eléctricos y los sistemas de energía renovable. Para aumentar la capacidad, se utilizan nuevos electrolitos y aditivos que le permiten cargar a 4,4 V/celda y más. Existe una tendencia hacia el Li-ion combinado con NMC, ya que el sistema es rentable y proporciona un buen rendimiento. El níquel, el manganeso y el cobalto son tres materiales activos que se pueden combinar fácilmente para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones automotrices y de sistemas de almacenamiento de energía (EES) que requieren ciclos frecuentes.

 De lo que podemos ver que la familia NMC se está volviendo más diversa.

Sin embargo, sus efectos secundarios de fuga térmica, riesgos de incendio y preocupaciones ambientales pueden obstaculizar su desarrollo futuro.

l titanato de litio

El titanato de litio, a menudo conocido como li-titanato, es un tipo de batería que tiene un número cada vez mayor de usos. Debido a su nanotecnología superior, es capaz de cargarse y descargarse rápidamente mientras mantiene un voltaje estable, lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones de alta potencia como vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía comerciales e industriales y almacenamiento a nivel de red. Junto con su seguridad y confiabilidad, estas baterías podrían usarse para aplicaciones militares y aeroespaciales, así como para almacenar energía eólica y solar y construir redes inteligentes. Además, según Battery Space, estas baterías podrían emplearse en copias de seguridad críticas del sistema de energía. Sin embargo, las baterías de titanato de litio tienden a ser más caras que las tradicionales de iones de litio debido al complejo proceso de fabricación necesario para producirlas.

5.Las tendencias de desarrollo de las baterías de iones de litio

El crecimiento global de las instalaciones de energía renovable ha aumentado la producción de energía intermitente, creando una red desequilibrada. Esto ha llevado a una demanda de baterías, mientras que el enfoque en cero emisiones de carbono y la necesidad de alejarse de los combustibles fósiles, concretamente el carbón, para la producción de energía impulsan a más gobiernos a incentivar las instalaciones de energía solar y eólica. Estas instalaciones se prestan a sistemas de almacenamiento en baterías que almacenan el exceso de energía generada. Por lo tanto, los incentivos gubernamentales para incentivar las instalaciones de baterías de iones de litio también impulsan el desarrollo de baterías de iones de litio. Por ejemplo, se prevé que el tamaño del mercado mundial de baterías de iones de litio NMC crezca de millones de dólares en 2022 a millones de dólares en 2029; Se espera que crezca a una tasa compuesta anual del% de 2023 a 2029  Y se prevé que las crecientes necesidades de aplicaciones que exigen cargas pesadas hagan de las baterías de iones de litio de 3000-10000 el segmento de más rápido crecimiento durante el período previsto (2022-2030).

6 El análisis de inversión de baterías de iones de litio.

Se proyecta que la industria del mercado de baterías de iones de litio crecerá de 51,16 mil millones de dólares en 2022 a 118,15 mil millones de dólares en 2030, exhibiendo una tasa de crecimiento anual compuesta del 4,72% durante el período de pronóstico (2022-2030), que depende de varios factores.

l Análisis del usuario final

Las instalaciones del sector de servicios públicos son impulsores clave para los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS). Se espera que este segmento crezca de 2.250 millones de dólares en 2021 a 5.990 millones de dólares en 2030 con una tasa compuesta anual del 11,5%.  Las baterías de iones de litio muestran una CAGR superior del 34,4% debido a su baja base de crecimiento. Los segmentos de almacenamiento de energía residencial y comercial son otras áreas con un gran potencial de mercado de 5.510 millones de dólares en 2030, frente a 1.680 millones de dólares en 2021. El sector industrial continúa su marcha hacia cero emisiones de carbono, y las empresas se comprometen a alcanzar emisiones netas cero en las próximas dos décadas. Las empresas de telecomunicaciones y centros de datos están a la vanguardia de la reducción de las emisiones de carbono con un mayor enfoque en las fuentes de energía renovables. Todo lo cual promoverá el rápido desarrollo de  baterías de iones de litio a medida que las empresas encuentran formas de garantizar respaldo confiable y equilibrio de la red.

l Análisis de tipo de producto

Debido al alto precio del cobalto, las baterías sin cobalto son una de las tendencias de desarrollo de las baterías de iones de litio. El LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) de alto voltaje con alta densidad de energía teórica es uno de los materiales catódicos libres de Co más prometedores en el futuro. Además, los resultados experimentales demostraron que el rendimiento cíclico y de velocidad C de la batería LNMO mejora mediante el uso de electrolito semisólido. Se puede proponer que el COF aniónico es capaz de absorber fuertemente Mn3+/Mn2+ y Ni2+ a través de la interacción de Coulomb, restringiendo su migración destructiva al ánodo. Por tanto, este trabajo será beneficioso para la comercialización del material catódico del LNMO.

lAnálisis Regional

Asia-Pacífico será el mayor mercado de baterías estacionarias de iones de litio para 2030, impulsado por las empresas de servicios públicos y las industrias. Superará a América del Norte y Europa con un mercado de 7.070 millones de dólares en 2030, creciendo desde 1.240 millones de dólares en 2021 a una tasa compuesta anual del 21,3%. América del Norte y Europa serán los próximos mercados más grandes debido a sus objetivos de descarbonizar sus economías y su red en las próximas dos décadas. LATAM verá la tasa de crecimiento más alta con una CAGR del 21,4% debido a su tamaño más pequeño y su base baja.

7 Cosas a considerar para baterías de iones de litio de alta calidad

A la hora de comprar un inversor solar óptico no sólo hay que tener en cuenta el precio y la calidad, también hay que tener en cuenta otros factores.

l Densidad de energía

La densidad de energía es la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen. La mayor densidad de energía con menos peso y tamaño es más extensa entre ciclos de carga.

yo  Seguridad

La seguridad es otro aspecto crítico de las baterías de iones de litio ya que pueden ocurrir explosiones e incendios durante la carga o descarga, por lo que es necesario elegir baterías con mecanismos de seguridad mejorados, como sensores de temperatura y sustancias inhibidoras.

Tipo

Una de las últimas tendencias en la industria de las baterías de iones de litio es el desarrollo de baterías de estado sólido, que ofrecen una serie de beneficios como una mayor densidad de energía y un ciclo de vida más largo. Por ejemplo, el uso de baterías de estado sólido en los coches eléctricos aumentará significativamente su autonomía y seguridad.

l Tasa de carga

La velocidad de carga depende de qué tan rápido se carga la batería de manera segura. A veces, la batería tarda mucho en cargarse antes de poder utilizarse.

vida útil

 Ninguna batería dura toda la vida pero tiene fecha de caducidad. Consulta la fecha de caducidad antes de realizar la compra. Las baterías de iones de litio tienen una vida útil inherentemente más larga debido a su química, pero cada batería difiere entre sí según el tipo, las especificaciones y la forma en que se fabrican. Las baterías de alta calidad durarán más ya que están hechas de materiales nobles en su interior.