Que son as baterías de iones de litio

1 Que son as baterías de iones de litio?

Unha batería é unha fonte de enerxía eléctrica formada por unha ou máis celas electroquímicas con conexións externas para alimentar dispositivos eléctricos. Unha batería de ión-litio ou ión-litio é un tipo de batería recargable que utiliza a redución reversible dos ións de litio para almacenar enerxía e é famosa a súa alta densidade de enerxía.

2 Estrutura das baterías de iones de litio

Xeralmente, a maioría das baterías de iones de litio comerciais usan compostos de intercalación como materiais activos. Normalmente consisten en varias capas de materiais que están dispostas nunha orde específica para facilitar o proceso electroquímico que permite á batería almacenar e liberar enerxía: ánodo, cátodo, electrólito, separador e colector de corrente.

Que é o ánodo?

Como compoñente da batería, o ánodo xoga un papel importante na capacidade, rendemento e durabilidade da batería. Ao cargar, o ánodo de grafito encárgase de aceptar e almacenar ións de litio. Cando a batería se descarga, os ións de litio móvense do ánodo ao cátodo de forma que se crea unha corrente eléctrica. Xeralmente, o ánodo de uso comercial máis común é o grafito, que no seu estado totalmente litiado de LiC6 se correlaciona cunha capacidade máxima de 1339 C/g (372 mAh/g). Pero co desenvolvemento das tecnoloxías, investigáronse novos materiais como o silicio para mellorar as densidades de enerxía das baterías de ión-litio.

Que é o cátodo?

O cátodo traballa para aceptar e liberar ións de litio cargados positivamente durante os ciclos actuais. Normalmente consiste nunha estrutura en capas dun óxido en capas (como o óxido de cobalto de litio), un polianión (como o fosfato de ferro de litio) ou unha espinela (como o óxido de manganeso de litio) revestido nun colector de carga (xeralmente feito de aluminio). 

Que é o electrólito?

Como sal de litio nun disolvente orgánico, o electrólito serve como medio para que os ións de litio se movan entre o ánodo e o cátodo durante a carga e a descarga.

Que é o separador?

Como unha fina membrana ou capa de material non condutor, o separador traballa para evitar que o ánodo (electrodo negativo) e o cátodo (electrodo positivo) se produzan en curto, xa que esta capa é permeable aos ións de litio pero non aos electróns. Tamén pode garantir o fluxo constante de ións entre os electrodos durante a carga e descarga. Polo tanto, a batería pode manter unha tensión estable e reducir o risco de quecemento, combustión ou explosión.

Que é o colector actual?

O colector de corrente está deseñado para recoller a corrente producida polos electrodos da batería e transportala ao circuíto externo, o que é importante para garantir un rendemento e unha lonxevidade óptimos da batería. E normalmente está feito dunha fina folla de aluminio ou cobre.

3 Historia do desenvolvemento das baterías de ión-litio

A investigación sobre baterías recargables de ión-litio data da década de 1960, un dos primeiros exemplos é unha batería CuF2/Li desenvolvida pola NASA en 1965 E a crise do petróleo golpeou o mundo na década de 1970, os investigadores centraron a súa atención en fontes alternativas de enerxía, polo que o avance que produciu a forma máis antiga da moderna batería de ión-litio produciuse debido ao peso lixeiro e á alta densidade de enerxía das baterías de ión-litio. Ao mesmo tempo, Stanley Whittingham de Exxon descubriu que se podían inserir ións de litio en materiais como TiS2 para crear unha batería recargable. 

Así que intentou comercializar esta batería pero non o logrou debido ao alto custo e á presenza de litio metálico nas celas. En 1980 descubriuse que un novo material ofrecía unha maior tensión e era moito máis estable no aire, que máis tarde sería utilizado na primeira batería comercial de ión-litio, aínda que non resolveu por si só o persistente problema da inflamabilidade. O mesmo ano, Rachid Yazami inventou o electrodo de grafito de litio (ánodo). E despois, en 1991, comezaron a entrar no mercado as primeiras baterías recargables de iones de litio do mundo. Na década de 2000, a demanda de baterías de ión-litio aumentou a medida que se popularizaron os dispositivos electrónicos portátiles, o que fai que as baterías de ión-litio sexan máis seguras e duradeiras. Os vehículos eléctricos foron introducidos na década de 2010, o que creou un novo mercado para as baterías de ión-litio 

O desenvolvemento de novos procesos e materiais de fabricación, como ánodos de silicio e electrólitos de estado sólido, continuou mellorando o rendemento e a seguridade das baterías de ión-litio. Hoxe en día, as baterías de ión-litio convertéronse en esenciais na nosa vida diaria, polo que a investigación e o desenvolvemento de novos materiais e tecnoloxías están en curso para mellorar o rendemento, a eficiencia e a seguridade destas baterías.

4.Os tipos de baterías de iones de litio

As baterías de ión-litio teñen unha variedade de formas e tamaños, e non todas son iguais. Normalmente hai cinco tipos de baterías de iones de litio.

l Óxido de cobalto de litio

As baterías de óxido de litio cobalto están fabricadas a partir de carbonato de litio e cobalto e tamén se coñecen como baterías de cobalto de litio ou de ión-litio cobalto. Teñen un cátodo de óxido de cobalto e un ánodo de carbono grafito, e os ións de litio migran do ánodo ao cátodo durante a descarga, co fluxo inverso cando se carga a batería. En canto á súa aplicación, utilízanse en dispositivos electrónicos portátiles, vehículos eléctricos e sistemas de almacenamento de enerxía renovable pola súa alta enerxía específica, baixa taxa de autodescarga, alta tensión de funcionamento e amplo rango de temperatura. Pero preste atención ás preocupacións relacionadas coa seguridade. ao potencial de fuga térmica e inestabilidade a altas temperaturas.

l Óxido de manganeso de litio

O óxido de manganeso de litio (LiMn2O4) é un material catódico que se usa habitualmente nas baterías de ión-litio. A tecnoloxía deste tipo de baterías foi descuberta inicialmente na década de 1980, coa primeira publicación no Materials Research Bulletin en 1983. Unha das vantaxes de LiMn2O4 é que ten unha boa estabilidade térmica, o que significa que é menos probable que experimente fugas térmicas, que tamén son máis seguras que outros tipos de baterías de ión-litio. Ademais, o manganeso é abundante e amplamente dispoñible, o que o converte nunha opción máis sostible en comparación cos materiais catódicos que conteñen recursos limitados como o cobalto. Como resultado, atópanse con frecuencia en equipos e dispositivos médicos, ferramentas eléctricas, motocicletas eléctricas e outras aplicacións. A pesar das súas vantaxes, o LiMn2O4 ten unha estabilidade de ciclo máis pobre en comparación co LiCoO2, o que significa que pode requirir unha substitución máis frecuente, polo que pode non ser tan axeitado para sistemas de almacenamento de enerxía a longo prazo.

l Fosfato de ferro de litio (LFP)

O fosfato úsase como cátodo nas baterías de fosfato de ferro e litio, moitas veces coñecidas como baterías de fosfato de litio. A súa baixa resistencia melloraron a súa estabilidade térmica e seguridade Tamén son famosos pola durabilidade e un longo ciclo de vida, o que os converte na opción máis rendible para outros tipos de baterías de ión-litio. En consecuencia, estas baterías úsanse con frecuencia en bicicletas eléctricas e outras aplicacións que requiren un longo ciclo de vida e altos niveis de seguridade. Pero as súas desvantaxes dificultan o desenvolvemento rápido. En primeiro lugar, en comparación con outros tipos de baterías de iones de litio, custan máis porque usan materias primas raras e caras. Ademais, as baterías de fosfato de ferro de litio teñen unha tensión de funcionamento máis baixa, o que significa que poden non ser adecuadas para algunhas aplicacións que requiren unha tensión máis alta. O seu tempo de carga máis longo fai que sexa unha desvantaxe nas aplicacións que requiren unha recarga rápida.

l Litio níquel manganeso óxido cobalto (NMC)

As baterías de litio níquel manganeso de óxido de cobalto, moitas veces coñecidas como baterías NMC, están construídas cunha variedade de materiais que son universais nas baterías de iones de litio. Inclúese un cátodo construído cunha mestura de níquel, manganeso e cobalto A súa alta densidade de enerxía, o seu bo rendemento en bicicleta e unha longa vida útil convertérono na primeira opción en vehículos eléctricos, sistemas de almacenamento en rede e outras aplicacións de alto rendemento, o que contribuíu aínda máis á crecente popularidade dos vehículos eléctricos e dos sistemas de enerxía renovable. Para aumentar a capacidade, utilízanse novos electrólitos e aditivos para que se cargue a 4,4 V/célula ou superior. Hai unha tendencia cara ao Li-ion mesturado con NMC xa que o sistema é rendible e ofrece un bo rendemento. O níquel, o manganeso e o cobalto son tres materiais activos que poden combinarse facilmente para adaptarse a unha ampla gama de aplicacións de sistemas de almacenamento de enerxía (EES) e automoción que requiren ciclos frecuentes.

 Desde o que podemos ver que a familia NMC é cada vez máis diversa

Non obstante, os seus efectos secundarios de fuga térmica, riscos de incendio e preocupacións ambientais poden dificultar o seu desenvolvemento.

l Titanato de litio

O titanato de litio, coñecido a miúdo como titanato de litio, é un tipo de batería que ten un número crecente de usos. Debido á súa nanotecnoloxía superior, é capaz de cargar e descargar rapidamente mantendo unha tensión estable, o que o fai ben axeitado para aplicacións de alta potencia, como vehículos eléctricos, sistemas de almacenamento de enerxía comerciais e industriais e almacenamento a nivel de rede. Xunto coa súa seguridade e fiabilidade, estas baterías poderían utilizarse para aplicacións militares e aeroespaciais, así como para almacenar enerxía eólica e solar e construír redes intelixentes. Ademais, segundo Battery Space, estas baterías poderían empregarse en copias de seguridade críticas do sistema de alimentación Non obstante, as baterías de titanato de litio adoitan ser máis caras que as baterías de iones de litio tradicionais debido ao complexo proceso de fabricación necesario para fabricalas.

5.As tendencias de desenvolvemento das baterías de ións de litio

O crecemento global das instalacións de enerxías renovables aumentou a produción de enerxía intermitente, creando unha rede desequilibrada. Isto provocou unha demanda de baterías, mentres que o foco nas emisións cero de carbono e a necesidade de afastarse dos combustibles fósiles, é dicir, o carbón, para a produción de enerxía impulsa a máis gobernos a incentivar as instalacións de enerxía solar e eólica. Estas instalacións préstanse a sistemas de almacenamento de baterías que almacenan o exceso de enerxía xerada. Polo tanto, os incentivos gobernamentais para incentivar as instalacións de baterías de iones de litio tamén impulsan o desenvolvemento de baterías de iones de litio Por exemplo, prevese que o tamaño do mercado global de baterías de iones de litio NMC creza de millóns de dólares en 2022 a millóns de dólares en 2029; espérase que medre a un CAGR do % desde 2023 ata 2029  E as necesidades crecentes das aplicacións que esixen cargas pesadas prevese que as baterías de ión de litio de 3000-10000 sexan o segmento de máis rápido crecemento durante o período previsto (2022-2030).

6 A análise do investimento das baterías de ións de litio

Espérase que a industria do mercado das baterías de ión de litio pase de 51.160 millóns de dólares en 2022 a 118.150 millóns de dólares en 2030, mostrando unha taxa de crecemento anual composta do 4,72% durante o período de previsión (2022-2030), que depende de varios factores.

l Análise do usuario final

As instalacións do sector de servizos públicos son impulsores fundamentais dos sistemas de almacenamento de enerxía en baterías (BESS). Espérase que este segmento creza de 2.250 millóns de dólares en 2021 a 5.990 millóns de dólares en 2030 cun CAGR do 11,5%.  As baterías de ión-litio mostran un CAGR máis alto do 34,4% debido á súa baixa base de crecemento. Os segmentos de almacenamento de enerxía residencial e comercial son outras áreas cun gran potencial de mercado de 5.510 millóns de dólares en 2030, fronte aos 1.680 millóns de dólares en 2021. O sector industrial continúa a súa marcha cara a cero emisións de carbono, coas empresas que fan compromisos netos cero nas próximas dúas décadas. As empresas de telecomunicacións e centros de datos están á vangarda na redución das emisións de carbono cun foco maior nas fontes de enerxía renovables. Todo o que promoverá o rápido desenvolvemento de  baterías de iones de litio a medida que as empresas atopan formas de garantir unha copia de seguridade fiable e o equilibrio da rede.

l Análise do tipo de produto

Debido ao alto prezo do cobalto, a batería sen cobalto é unha das tendencias de desenvolvemento das baterías de ión-litio. LiNi0.5Mn1.5O4 de alta tensión (LNMO) con alta densidade de enerxía teórica é un dos materiais de cátodo libre de Co máis prometedores no resto. Ademais, os resultados experimentais demostraron que o rendemento cíclico e da taxa C da batería LNMO mellora o uso do electrólito semisólido. Isto pódese propoñer que o COF aniónico é capaz de absorber fortemente o Mn3+/Mn2+ e Ni2+ mediante a interacción de Coulomb, limitando a súa migración destrutiva cara ao ánodo. Polo tanto, este traballo será beneficioso para a comercialización de material de cátodo LNMO.

l Análise Rexional

Asia-Pacífico será o maior mercado de baterías estacionarias de iones de litio en 2030, impulsado polas empresas de servizos públicos e industrias. Superará a América do Norte e Europa cun mercado de 7.070 millóns de dólares en 2030, crecendo desde os 1.240 millóns de dólares en 2021 cun CAGR do 21,3%. Norteamérica e Europa serán os próximos mercados máis grandes debido aos seus obxectivos de descarbonizar as súas economías e a súa rede durante as próximas dúas décadas. LATAM verá a taxa de crecemento máis alta cun CAGR do 21,4% debido ao seu menor tamaño e base baixa.

7 Cousas a considerar para unhas baterías de iones de litio de alta calidade

Ao mercar un inversor solar óptico, non só hai que ter en conta o prezo e a calidade, tamén hai que ter en conta outros factores.

l Densidade enerxética

A densidade de enerxía é a cantidade de enerxía almacenada por unidade de volume. A maior densidade de enerxía con menos peso e tamaño é máis extensa entre os ciclos de carga.

l  Segura

A seguridade é outro aspecto crítico das baterías de ión-litio xa que se poden producir explosións e incendios durante a carga ou a descarga, polo que é necesario elixir baterías con mecanismos de seguridade mellorados, como sensores de temperatura e substancias inhibidoras.

l Tipo

Unha das últimas tendencias na industria das baterías de ión-litio é o desenvolvemento de baterías de estado sólido, que ofrece unha serie de beneficios como unha maior densidade de enerxía e un ciclo de vida máis longo. Por exemplo, o uso de baterías de estado sólido nos coches eléctricos aumentará significativamente a súa capacidade de autonomía e seguridade.

l Taxa de carga

A velocidade de carga depende da rapidez con que se carga a batería de forma segura. Ás veces, a batería tarda moito en cargarse antes de que se poidan usar.

l Vida útil

 A batería non funciona durante toda a vida útil, pero ten unha data de caducidade. Comproba a data de caducidade antes de realizar a compra. As baterías de iones de litio teñen unha vida útil máis longa debido á súa química, pero cada batería difire entre si dependendo do tipo, especificacións e forma de fabricar. As baterías de alta calidade durarán máis tempo xa que están feitas de materiais finos no seu interior.