¿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 uno 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 famoso su alto densidad de energía.

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 que se dispuestos en un orden específico para facilitar el proceso electroquímico que permite que la batería almacene y libere 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, rendimiento y durabilidad de la batería. Durante la carga, el ánodo de grafito se responsable de aceptar y almacenar iones de litio. Cuando la batería está descargados, los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo de modo que se se crea corriente eléctrica. Generalmente el ánodo más común utilizado comercialmente. es grafito, que en su estado completamente litiado de LiC6 se correlaciona con un máximo Capacidad de 1339 C/g (372 mAh/g). Pero con el desarrollo de las tecnologías, nuevas Se han investigado materiales como el silicio para mejorar las densidades de energía. para baterías de iones de litio.

¿Qué es el cátodo?

El cátodo trabaja para aceptar y liberar iones de litio cargados positivamente durante 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 fabricado en 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) cortocircuito, ya que esta capa es permeable a los iones de litio pero no a los electrones. Él También puede garantizar el flujo constante de iones entre los electrodos durante la carga. y descargando. Por lo 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 recoger la corriente producida por el electrodos de la batería y la transporta al circuito externo, que es importante para garantizar un rendimiento óptimo y la longevidad de la batería. Y Por lo general, suele estar 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 Los primeros ejemplos son una batería CuF2/Li desarrollada por la NASA en 1965. Y la crisis del petróleo llegó al mundo en la década de 1970, los investigadores centraron su atención en alternativas fuentes de energía, por lo que el avance que produjo la forma más temprana de la La moderna batería de iones de litio se fabricó debido a su peso ligero y alta energía. Densidad 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 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, que luego se usaría en la primera batería comercial de iones de litio, aunque por sí solo no resolvió el persistente problema de inflamabilidad. El mismo año, Rachid Yazami inventó el grafito de litio. electrodo (ánodo). Y luego, en 1991, apareció el primer dispositivo recargable de iones de litio del mundo. Las baterías comenzaron a ingresar al mercado. 

En la década de 2000, la demanda de iones de litio Las baterías aumentaron a medida que los dispositivos electrónicos portátiles se hicieron populares, lo que impulsa Las baterías de iones de litio son más seguras y duraderas. Los vehículos eléctricos eran introducido 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, continuó mejorando el rendimiento y la seguridad de 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 la investigación y el desarrollo de nuevos materiales y Se están llevando a cabo 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 se igualan. 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 cobaltato de litio o baterías de cobalto de iones de litio. Tienen un cátodo de óxido de cobalto y un ánodo de carbono de grafito, e iones de litio. migran del ánodo al cátodo durante la descarga, invirtiendo el flujo cuando la batería está cargada. En cuanto a su aplicación, se utilizan en portátiles. Dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía renovable. debido a su alta energía específica, baja tasa de autodescarga, alta operación voltaje y amplio rango de temperatura. Pero preste atención a las preocupaciones de seguridad relacionado con el 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 utiliza habitualmente en baterías de iones de litio. La tecnología para este tipo de batería fue inicialmente descubierto en la década de 1980, con la primera publicación en Materials Research Boletín de 1983. Una de las ventajas del LiMn2O4 es que tiene buena temperatura. estabilidad, lo que significa que es menos probable que experimente una fuga térmica, que También son más seguras que otros tipos de baterías de iones de litio. Además, el manganeso es abundante y ampliamente disponible, lo que la convierte en una opción más sostenible en comparación a materiales catódicos que contienen recursos limitados como el cobalto. Como resultado, Se encuentran con frecuencia en equipos y dispositivos médicos, herramientas eléctricas, aparatos eléctricos. motocicletas y otras aplicaciones. A pesar de sus ventajas, el LiMn2O4 es más pobre. estabilidad cíclica en comparación con LiCoO2, lo que significa que puede requerir más Reemplazo frecuente, por lo que puede no ser tan adecuado para el almacenamiento de energía a largo plazo. sistemas.

l Fosfato de hierro y litio (LFP)

El fosfato se utiliza como cátodo en baterías de fosfato de hierro y litio, a menudo conocidas como baterías de lifosfato. Su baja resistencia ha mejorado su comportamiento térmico. estabilidad y seguridad. También son famosos por su durabilidad y un largo ciclo de vida. lo que los convierte en la opción más rentable frente a otros tipos de iones de litio baterías. 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 materiales raros y materias primas caras. Además, las baterías de fosfato de hierro y litio tienen una voltaje de funcionamiento más bajo, lo que significa que pueden no ser adecuados para algunos aplicaciones que requieren un voltaje más alto. Su mayor tiempo de carga lo convierte en un desventaja en aplicaciones que requieren una recarga rápida.

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

Baterías de litio, níquel, manganeso y óxido de cobalto, también conocidas como NMC baterías, están construidas con una variedad de materiales que son universales en baterías de iones de litio. Un cátodo construido con una mezcla de níquel, manganeso y Se incluye cobalto. Su alta densidad energética, buen rendimiento ciclista y un su larga vida útil lo ha convertido en la primera opción en vehículos eléctricos, almacenamiento en red sistemas 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. A aumentar la capacidad, se utilizan nuevos electrolitos y aditivos para permitirle cargar a 4,4 V/celda y superior 

Existe una tendencia hacia el Li-ion mezclado con NMC desde el sistema es rentable y proporciona un buen rendimiento. Níquel, 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 Ciclismo frecuente. De lo cual podemos ver que la familia NMC se está volviendo más diversos Sin embargo, sus efectos secundarios de fuga térmica, riesgos de incendio y ambientales Las preocupaciones 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 una creciente número de usos. Gracias a su nanotecnología superior, es capaz de carga y descarga rápidamente mientras mantiene un voltaje estable, lo que lo hace Muy adecuado para aplicaciones de alta potencia como vehículos eléctricos, comerciales. y sistemas de almacenamiento de energía industrial y almacenamiento a nivel de red. 

Junto con su Seguridad y confiabilidad, estas baterías podrían usarse para uso militar y aeroespacial. aplicaciones, además de almacenar energía eólica y solar y construir rejillas. Además, según Battery Space, estas baterías podrían ser empleado en copias de seguridad críticas del sistema de energía. Sin embargo, el titanato de litio Las baterías tienden a ser más caras que las tradicionales de iones de litio debido a al complejo proceso de fabricación necesario para producirlos.

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

El crecimiento global de las instalaciones de energías renovables ha aumentado 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 avanzar lejos de los combustibles fósiles, concretamente el carbón, para la producción de energía impulsan más los gobiernos para incentivar las instalaciones de energía solar y eólica. Estos Las instalaciones se prestan a sistemas de almacenamiento de baterías que almacenan el exceso de energía. generado 

Por lo tanto, los incentivos gubernamentales para incentivar las baterías de iones de litio Las instalaciones también impulsan el desarrollo de baterías de iones de litio. Por ejemplo, Se proyecta que el tamaño del mercado global de baterías de iones de litio NMC crecerá de US$ millones en 2022 a millones de dólares estadounidenses en 2029; se espera que crezca a una tasa compuesta anual del% de 2023 a 2029. Y las crecientes necesidades de aplicaciones que exigen mucho Se proyecta que las cargas hagan que las baterías de iones de litio de 3000-10000 sean las más rápidas segmento en crecimiento durante el período de pronóstico (2022-2030).

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

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

l Análisis del usuario final

Las instalaciones del sector de servicios públicos son impulsores clave para el almacenamiento de energía en baterías sistemas (BESS). Se espera que este segmento crezca de $ 2,25 mil millones en 2021 a 5.990 millones de dólares en 2030 a una tasa compuesta anual del 11,5%. Las baterías de iones de litio muestran un aumento del 34,4% CAGR por su baja base de crecimiento. Almacenamiento de energía residencial y comercial. Los segmentos son otras áreas con un gran potencial de mercado de $ 5,51 mil millones en 2030, desde $ 1,68 mil millones en 2021. El sector industrial continúa su marcha hacia Cero emisiones de carbono, y las empresas se comprometerán a alcanzar cero emisiones netas en los dos próximos. décadas. Las empresas de telecomunicaciones y centros de datos están a la vanguardia de la reducción emisiones de carbono con un mayor enfoque en las fuentes de energía renovables. Todo de los cuales promoverá el rápido desarrollo de baterías de iones de litio como Las empresas encuentran formas de garantizar respaldos confiables y equilibrio de la red.

l Análisis de tipo de producto

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

lAnálisis Regional

Asia-Pacífico será el mayor mercado de baterías estacionarias de iones de litio en el futuro 2030, impulsado por los servicios públicos y las industrias. Superará a América del Norte y Europa, con un mercado de 7.070 millones de dólares en 2030, frente a 1.240 millones de dólares en 2021 a una tasa compuesta anual del 21,3%. América del Norte y Europa serán los próximos más grandes mercados debido a sus objetivos de descarbonizar sus economías y su red en los próximos dos décadas. LATAM verá la tasa de crecimiento más alta con una CAGR del 21,4% porque de su menor tamaño y 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. considerados, también deben tenerse en cuenta otros factores.

l Densidad de energía

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

seguridad

La seguridad es otro aspecto crítico de las baterías de iones de litio desde las explosiones. e incendios que puedan ocurrir durante la carga o descarga, por lo que es necesario Elija 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 la desarrollo de baterías de estado sólido, que ofrece una variedad de beneficios tales como mayor densidad energética y un ciclo de vida más largo. Por ejemplo, el uso de Las baterías de estado sólido de los coches eléctricos aumentarán significativamente su autonomía. capacidad 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. comprobar el vencimiento fecha antes de realizar la compra. Las baterías de iones de litio tienen una duración inherente más larga. vida debido a su química, pero cada batería difiere entre sí dependiendo de el tipo, especificaciones y forma de fabricación. Las baterías de alta calidad duran más ya que están hechos de materiales finos en su interior.