Baterías Li-ion

por Kim Actualizado: Xullo 9, 2022

As baterías de ión-litio son baterías recargables que conteñen ións de litio. Utilízanse en todo, desde teléfonos móbiles ata coches. Pero como funcionan?

As baterías de iones de litio usan un proceso de intercalación para almacenar enerxía. Este proceso implica que os ións de litio se movan entre o cátodo e o ánodo dentro da batería. Cando cargando, os ións móvense do ánodo ao cátodo e, ao descargarse, móvense en sentido contrario.

Pero iso é só unha breve visión xeral. Vexamos todo con máis detalle.

Que é unha batería de ión-litio?

As baterías de iones de litio están en todas partes estes días! Eles alimentan os nosos teléfonos, portátiles, vehículos eléctricos e moito máis. Pero que son exactamente? Imos botarlle unha ollada máis de cerca!

Os principios

As baterías de ión-litio están formadas por unha ou máis celas, unha placa de circuíto protectora e algúns outros compoñentes:

• Electrodos: os extremos dunha célula cargados positiva e negativamente. Adxunto aos colectores actuais.
• Ánodo: electrodo negativo.
• Electrólito: líquido ou xel que conduce a electricidade.
• Colectores de corrente: láminas condutoras en cada electrodo da batería que están conectadas aos bornes da célula. Estes terminais transmiten a corrente eléctrica entre a batería, o dispositivo e a fonte de enerxía que alimenta a batería.
• Separador: película polimérica porosa que separa os electrodos ao tempo que permite o intercambio de ións de litio dun lado ao outro.

Como funciona

Cando utilizas un dispositivo alimentado por unha batería de ión-litio, os ións de litio móvense dentro da batería entre o ánodo e o cátodo. Ao mesmo tempo, os electróns móvense no circuíto externo. Este movemento de ións e electróns é o que crea a corrente eléctrica que alimenta o teu dispositivo.

Cando a batería se está descargando, o ánodo libera ións de litio ao cátodo, xerando un fluxo de electróns que axuda a alimentar o dispositivo. Cando a batería se está cargando, ocorre o contrario: os ións de litio son liberados polo cátodo e recibidos polo ánodo.

Onde podes atopalos?

As baterías de iones de litio están en todas partes estes días! Podes atopalos en teléfonos, portátiles, vehículos eléctricos e moito máis. Así que a próxima vez que uses un dos teus dispositivos favoritos, só tes que lembrar que está alimentado por unha batería de iones de litio.

A fascinante historia da batería de ión-litio

Os primeiros intentos da NASA

Aló polos anos 60, a NASA xa intentaba fabricar unha batería recargable de iones de litio. Desenvolveron unha batería CuF2/Li, pero non funcionou.

O avance de M. Stanley Whittingham

En 1974, o químico británico M. Stanley Whittingham fixo un gran avance cando utilizou disulfuro de titanio (TiS2) como material do cátodo. Esta tiña unha estrutura en capas que podía absorber ións de litio sen cambiar a súa estrutura cristalina. Exxon intentou comercializar a batería, pero era demasiado cara e complexa. Ademais, era propenso a incendiarse debido á presenza de litio metálico nas celas.

Godshall, Mizushima e Goodenough

En 1980, Ned A. Godshall et al. e Koichi Mizushima e John B. Goodenough substituíron o TiS2 por óxido de cobalto de litio (LiCoO2 ou LCO). Esta tiña unha estrutura en capas semellante, pero cunha maior tensión e máis estabilidade no aire.

Invención de Rachid Yazami

Ese mesmo ano, Rachid Yazami demostrou a intercalación electroquímica reversible do litio no grafito e inventou o electrodo de grafito de litio (ánodo).

O problema da inflamabilidade

O problema da inflamabilidade persistiu, polo que se abandonaron os ánodos de metal de litio. A solución final foi utilizar un ánodo de intercalación, similar ao utilizado para o cátodo, que evitaba a formación de litio metálico durante a carga da batería.

Deseño de Yoshino

En 1987, Akira Yoshino patentou a que se convertería na primeira batería de ión-litio comercial utilizando un ánodo de "carbón brando" (un material parecido ao carbón) xunto co cátodo LCO de Goodenough e un electrólito baseado en ésteres de carbonato.

Comercialización de Sony

En 1991, Sony comezou a producir e vender as primeiras baterías de ión-litio recargables do mundo utilizando o deseño de Yoshino.

O Premio Nobel

En 2012, John B. Goodenough, Rachid Yazami e Akira Yoshino recibiron a Medalla IEEE 2012 de Tecnoloxías Ambientais e de Seguridade polo desenvolvemento da batería de ión-litio. Despois, en 2019, Goodenough, Whittingham e Yoshino foron galardoados co Premio Nobel de Química polo mesmo.

Capacidade de produción global

En 2010, a capacidade de produción global de baterías de ión-litio era de 20 gigavatios-hora. En 2016, crecera ata os 28 GWh, con 16.4 GWh en China. En 2020, a capacidade de produción global foi de 767 GWh, sendo China o 75%. En 2021, estímase entre 200 e 600 GWh, e as previsións para 2023 oscilan entre 400 e 1,100 GWh.

A ciencia detrás das células de ión-litio 18650

Que é unha cela 18650?

Se algunha vez escoitou falar dunha batería de portátil ou dun vehículo eléctrico, é probable que escoitou falar dunha cela 18650. Este tipo de pilas de ión-litio ten forma cilíndrica e úsase nunha variedade de aplicacións.

Que hai dentro dunha cela 18650?

Unha cela 18650 está formada por varios compoñentes, que funcionan xuntos para alimentar o dispositivo:

• O electrodo negativo adoita estar feito de grafito, unha forma de carbono.
• O electrodo positivo adoita estar feito dun óxido metálico.
• O electrólito é un sal de litio nun disolvente orgánico.
• Un separador evita que o ánodo e o cátodo se produzan en curto.
• Un colector de corrente é unha peza de metal que separa a electrónica externa do ánodo e do cátodo.

Que fai unha cela 18650?

Unha cela 18650 é a responsable de alimentar o teu dispositivo. Faino creando unha reacción química entre o ánodo e o cátodo, que produce electróns que flúen polo circuíto externo. O electrólito axuda a facilitar esta reacción, mentres que o colector de corrente garante que os electróns non se curten.

O futuro das células 18650

A demanda de baterías é cada vez maior, polo que os investigadores buscan constantemente formas de mellorar a densidade de enerxía, a temperatura de funcionamento, a seguridade, a durabilidade, o tempo de carga e o custo de 18650 células. Isto inclúe experimentar con novos materiais, como o grafeno, e explorar estruturas alternativas de electrodos.

Entón, a próxima vez que uses o teu portátil ou vehículo eléctrico, tómase un momento para apreciar a ciencia detrás da cela 18650.

Tipos de células de ión-litio

Pequeno Cilíndrico

Estes son os tipos máis comúns de células de iones de litio e atópanse na maioría das bicicletas eléctricas e nas baterías de vehículos eléctricos. Vén nunha variedade de tamaños estándar e teñen un corpo sólido sen ningún terminal.

Cilíndrico grande

Estas células de iones de litio son máis grandes que as pequenas cilíndricas e teñen grandes terminais roscados.

Plano ou bolsa

Estas son as células suaves e planas que atoparás nos teléfonos móbiles e nos portátiles máis novos. Tamén se coñecen como baterías de polímero de iones de litio.

Estuche plástico rígido

Estas células veñen con grandes terminais roscados e adoitan usarse nos paquetes de tracción de vehículos eléctricos.

Rollo de marmelada

As células cilíndricas fanse dun xeito característico de "rollo suízo", que tamén se coñece como "rolo de marmelada" nos EUA. Isto significa que é un único "bocadillo" longo do electrodo positivo, separador, electrodo negativo e separador enrolado nunha única bobina. Os rolos de marmelada teñen a vantaxe de producirse máis rápido que as celas con electrodos apilados.

Células de bolsa

As células de bolsa teñen a maior densidade de enerxía gravimétrica, pero necesitan un medio externo de contención para evitar a expansión cando o seu nivel de estado de carga (SOC) é alto.

Baterías de fluxo

As baterías de fluxo son un tipo relativamente novo de baterías de iones de litio que suspenden o material do cátodo ou do ánodo nunha solución acuosa ou orgánica.

A célula de iones de litio máis pequena

En 2014, Panasonic creou a célula de iones de litio máis pequena. Ten forma de alfinete e ten un diámetro de 3.5 mm e un peso de 0.6 g. É semellante ás baterías de litio ordinarias e normalmente desígnase cun prefixo "LiR".

Paquetes de baterías

As baterías están formadas por varias células de iones de litio conectadas e úsanse para alimentar dispositivos máis grandes, como coches eléctricos. Conteñen sensores de temperatura, circuítos reguladores de tensión, tomas de tensión e monitores de estado de carga para minimizar os riscos de seguridade.

Para que se utilizan as baterías de ión-litio?

Consumer Electronics

As baterías de iones de litio son a fonte de enerxía para todos os teus aparellos favoritos. Desde o teu teléfono móbil de confianza ata o teu portátil, dixital cámara, e cigarros eléctricos, estas baterías mantén a túa tecnoloxía en funcionamento.

Power Tools

Se es un afeccionado ao bricolaxe, sabes que as baterías de iones de litio son o camiño a seguir. Taladros sen fíos, lixadoras, serras e mesmo equipos de xardín, como fresadoras e cortasetos, dependen destas baterías.

Vehículos eléctricos

Os coches eléctricos, os vehículos híbridos, as motocicletas e scooters eléctricos, as bicicletas eléctricas, os transportistas persoais e as cadeiras de rodas eléctricas avanzadas usan baterías de iones de litio para desprazarse. E non nos esquezamos dos modelos radiocontrolados, dos avións modelo e ata do rover Mars Curiosity!

Telecomunicacións

As baterías de ión-litio tamén se usan como enerxía de reserva en aplicacións de telecomunicacións. Ademais, están a ser discutidos como unha opción potencial para o almacenamento de enerxía na rede, aínda que aínda non son moi competitivos en custos.

O que debes saber sobre o rendemento da batería de ión-litio

Densidade enerxética

Cando se trata de baterías de iones de litio, estás vendo unha densidade de enerxía moi importante. Estamos a falar de 100-250 W·h/kg (360-900 kJ/kg) e 250-680 W·h/L (900-2230 J/cm3). É suficiente enerxía para iluminar unha cidade pequena!

Voltaxe

As baterías de ión-litio teñen unha tensión de circuíto aberto máis alta que outros tipos de baterías, como chumbo-ácido, níquel-metal hidruro e níquel-cadmio.

Resistencia interna

A resistencia interna aumenta tanto co ciclo como coa idade, pero isto depende da tensión e da temperatura na que se almacenen as baterías. Isto significa que a tensión nos terminais cae baixo carga, reducindo o consumo máximo de corrente.

Tempo de carga

Atrás quedaron os días nos que as baterías de iones de litio tardaban dúas horas ou máis en cargarse. Hoxe en día, podes obter unha carga completa en 45 minutos ou menos. En 2015, os investigadores incluso demostraron unha batería de 600 mAh cargada ao 68 por cento da capacidade en dous minutos e unha batería de 3,000 mAh cargada ao 48 por cento da capacidade en cinco minutos.

Redución de custos

As baterías de ión-litio percorreron un longo camiño desde 1991. Os prezos baixaron un 97% e a densidade de enerxía máis que triplicouse. As células de diferentes tamaños coa mesma química tamén poden ter diferentes densidades de enerxía, polo que podes obter máis beneficios.

Cal é o trato coa vida útil da batería de ión-litio?

Os principios

Cando se trata de baterías de iones de litio, a vida útil adoita medirse en función do número de ciclos completos de carga-descarga necesarios para alcanzar un determinado limiar. Este limiar defínese normalmente como unha perda de capacidade ou un aumento da impedancia. Os fabricantes adoitan empregar o termo "vida útil" para describir a vida útil dunha batería en función do número de ciclos necesarios para alcanzar o 80% da súa capacidade nominal.

O almacenamento das baterías de ión-litio en estado cargado tamén reduce a súa capacidade e aumenta a resistencia das células. Isto débese principalmente ao crecemento continuo da interface de electrólito sólido no ánodo. O ciclo de vida completo dunha batería, incluíndo tanto o ciclo como as operacións de almacenamento inactivo, denomínase vida do calendario.

Factores que afectan o ciclo de vida da batería

O ciclo de vida dunha batería está afectado por varios factores, como:

• temperatura
• Corrente de descarga
• Corrente de carga
• Rangos de estado de carga (profundidade de descarga)

Nas aplicacións do mundo real, como teléfonos intelixentes, portátiles e coches eléctricos, as baterías non sempre están completamente cargadas e descargadas. É por iso que definir a duración da batería en termos de ciclos de descarga completos pode ser enganoso. Para evitar esta confusión, os investigadores ás veces usan a descarga acumulada, que é a cantidade total de carga (Ah) entregada pola batería durante toda a súa vida útil ou ciclos completos equivalentes.

Degradación da batería

As baterías degrádanse gradualmente ao longo da súa vida útil, o que provoca unha redución da capacidade e, nalgúns casos, unha menor tensión de funcionamento da cela. Isto débese a unha variedade de cambios químicos e mecánicos nos electrodos. A degradación depende moito da temperatura e os niveis de carga elevados tamén aceleran a perda de capacidade.

Algúns dos procesos de degradación máis comúns inclúen:

• Redución do electrólito de carbonato orgánico no ánodo, o que resulta no crecemento da interface de electrolito sólido (SEI). Isto provoca un aumento da impedancia óhmica e unha redución da carga Ah ciclable.

• Revestimento de litio metálico, que tamén leva a unha perda de inventario de litio (carga Ah ciclable) e curtocircuítos internos.

• Perda dos materiais electroactivos (negativos ou positivos) debido á disolución, fisuración, exfoliación, desprendimento ou mesmo cambio regular de volume durante o ciclo. Isto aparece cando a carga e a potencia desaparecen (aumento da resistencia).

• Corrosión/disolución do colector de corrente negativa de cobre a baixas tensións das células.

• Degradación do aglutinante de PVDF, que pode provocar o desprendemento dos materiais electroactivos.

Entón, se estás a buscar unha batería que dure, asegúrate de estar atento a todos os factores que poden afectar a súa vida útil.

Os perigos das baterías de ión-litio

Que son as baterías de ión-litio?

As baterías de iones de litio son as potencias do noso mundo moderno. Atópanse en todo, desde teléfonos intelixentes ata coches eléctricos. Pero, como todas as cousas poderosas, veñen con algúns riscos.

Cales son os riscos?

As baterías de ión-litio conteñen un electrólito inflamable e poden presurizarse se danan. Isto significa que se unha batería se carga demasiado rápido, pode provocar un curtocircuíto e provocar explosións e incendios.

Aquí tes algunhas das formas en que as baterías de iones de litio poden chegar a ser perigosas:

• Abuso térmico: refrixeración deficiente ou incendio externo
• Abuso eléctrico: sobrecarga ou curtocircuíto externo
• Abuso mecánico: Penetración ou choque
• Curtocircuíto interno: fallos de fabricación ou envellecemento

Que se pode facer?

Os estándares de proba para as baterías de iones de litio son máis estritos que os de baterías de electrolitos ácidos. As limitacións de envío tamén foron impostas polos reguladores de seguridade.

Nalgúns casos, as empresas tiveron que retirar produtos debido a problemas relacionados coa batería, como a retirada do Samsung Galaxy Note 7 en 2016.

Están en marcha proxectos de investigación para desenvolver electrólitos non inflamables para reducir os riscos de incendio.

Se as baterías de ión-litio están danadas, esmagadas ou sometidas a unha carga eléctrica superior sen protección contra sobrecargas, poden aparecer problemas. O curtocircuíto dunha batería pode provocar que se sobrequente e posiblemente se incendie.

The Bottom Line

As baterías de ión-litio son poderosas e revolucionaron o noso mundo, pero teñen algúns riscos. É importante ser conscientes destes riscos e tomar medidas para reducilos.

O impacto ambiental das baterías de ión-litio

Que son as baterías de ión-litio?

As baterías de ión-litio son a fonte de enerxía para moitos dos nosos dispositivos cotiáns, desde teléfonos e portátiles ata coches eléctricos. Están compostos por litio, níquel e cobalto, e son coñecidos pola súa alta densidade de enerxía e longa vida.

Cales son os impactos ambientais?

A produción de baterías de ión-litio pode ter un grave impacto ambiental, incluíndo:

• A extracción de litio, níquel e cobalto pode ser perigosa para a vida acuática, provocando contaminación da auga e problemas respiratorios.
• Os subprodutos da minería poden provocar a degradación dos ecosistemas e danos á paisaxe.
• Consumo insostible de auga nas rexións áridas.
• Xeración masiva de subprodutos da extracción de litio.
• Potencial de quecemento global da fabricación de baterías de ión-litio.

Que podemos facer?

Podemos axudar a reducir o impacto ambiental das baterías de ión-litio:

• Reciclando baterías de iones de litio para reducir a pegada de carbono da produción.
• Reutilizar pilas en lugar de reciclalas.
• Almacenar de forma segura as baterías usadas para reducir os riscos.
• Utilizar métodos pirometalúrxicos e hidrometalúrxicos para separar os compoñentes da batería.
• Refinación de escorias procedentes do proceso de reciclaxe para o seu uso na industria do cemento.

O impacto da extracción de litio nos dereitos humanos

Perigos para a poboación local

Extraer materias primas para baterías de iones de litio pode ser perigoso para as poboacións locais, especialmente para os indíxenas. O cobalto da República Democrática do Congo adoita extraerse con poucas precaucións de seguridade, o que provoca feridas e mortes. A contaminación destas minas expuxo ás persoas a produtos químicos tóxicos que poden causar defectos de nacemento e dificultades respiratorias. Tamén se informou de que nestas minas se utiliza traballo infantil.

Falta de consentimento libre, previo e informado

Un estudo realizado en Arxentina descubriu que o Estado pode non ter protexido o dereito dos pobos indíxenas ao consentimento libre e informado, e que as empresas extractivas controlaban o acceso da comunidade á información e estableceron os termos para a discusión dos proxectos e a distribución de beneficios.

Protestas e demandas

O desenvolvemento da mina de litio Thacker Pass en Nevada recibiu protestas e demandas de varias tribos indíxenas que din que non recibiron o seu consentimento libre e informado e que o proxecto ameaza sitios culturais e sagrados. A xente tamén expresou a súa preocupación de que o proxecto cree riscos para as mulleres indíxenas. Os manifestantes ocupan o lugar desde xaneiro de 2021.

O impacto da extracción de litio nos dereitos humanos

Perigos para a poboación local

Extraer materias primas para baterías de iones de litio pode ser un verdadeiro desgusto para as poboacións locais, especialmente os indíxenas. O cobalto da República Democrática do Congo adoita extraerse con poucas precaucións de seguridade, o que provoca feridas e mortes. A contaminación destas minas expuxo ás persoas a produtos químicos tóxicos que poden causar defectos de nacemento e dificultades respiratorias. Tamén se informou de que nestas minas se utiliza traballo infantil. Vaia!

Falta de consentimento libre, previo e informado

Un estudo realizado en Arxentina descubriu que o Estado pode non ter dado aos pobos indíxenas o dereito a un consentimento libre e informado, e que as empresas extractivas controlaban o acceso da comunidade á información e fixaban os termos para a discusión dos proxectos e a distribución de beneficios. Non mola.

Protestas e demandas

O desenvolvemento da mina de litio Thacker Pass en Nevada recibiu protestas e demandas de varias tribos indíxenas que din que non recibiron o seu consentimento libre e informado e que o proxecto ameaza sitios culturais e sagrados. A xente tamén expresou a súa preocupación de que o proxecto cree riscos para as mulleres indíxenas. Os manifestantes levan ocupando o lugar desde xaneiro de 2021 e non parece que teñan pensado marchar pronto.

Diferenzas

Baterías Li-Ion Vs Lipo

Cando se trata de baterías Li-ion vs LiPo, é unha batalla dos titáns. As baterías de iones de litio son incriblemente eficientes e acumulan unha tonelada de enerxía nun pequeno paquete. Pero, poden ser inestables e perigosos se se rompe a barreira entre os electrodos positivos e negativos. Por outra banda, as baterías LiPo son moito máis seguras, xa que non sofren o mesmo risco de combustión. Tampouco sofren o "efecto memoria" que teñen as baterías de ión-litio, o que significa que poden recargarse máis veces sen perder a súa capacidade. Ademais, teñen unha vida útil máis longa que as baterías de ión-litio, polo que non tes que preocuparte por substituílas con tanta frecuencia. Entón, se estás a buscar unha batería segura, fiable e de longa duración, LiPo é o camiño a seguir.

Baterías de iones de litio vs plomo ácido

As baterías de chumbo-ácido son máis baratas que as de iones de litio, pero non funcionan tan ben. As baterías de chumbo-ácido poden tardar ata 10 horas en cargarse, mentres que as baterías de iones de litio poden cargarse en tan só uns minutos. Isto débese a que as baterías de iones de litio poden aceptar un ritmo de corrente máis rápido, cargando máis rápido que as baterías de chumbo-ácido. Polo tanto, se estás buscando unha batería que se cargue de forma rápida e eficiente, o ión de litio é o camiño a seguir. Pero se tes un orzamento, o ácido de chumbo é a opción máis accesible.

FAQ

A batería de iones de litio é o mesmo que o de litio?

Non, as baterías de iones de litio e as de litio non son o mesmo! As baterías de litio son células primarias, o que significa que non son recargables. Entón, unha vez que as usas, xa están. Por outra banda, as baterías de ión-litio son células secundarias, o que significa que se poden recargar e usar unha e outra vez. Ademais, as baterías de iones de litio son máis caras e tardan máis en fabricarse que as de litio. Entón, se estás buscando unha batería que se poida recargar, Li-ion é o camiño a seguir. Pero se queres algo que sexa máis barato e dure máis tempo, o litio é a túa mellor opción.

Necesitas un cargador especial para baterías de litio?

Non, non necesitas un cargador especial para baterías de litio. Coas baterías de litio iTechworld, non tes que actualizar todo o teu sistema de carga nin gastar diñeiro extra. Todo o que necesitas é o teu cargador de chumbo ácido existente e xa estás listo. As nosas baterías de litio teñen un sistema de xestión de baterías (BMS) especial que garante que a súa batería se cargue correctamente co seu cargador existente.
O único cargador que non recomendamos usar é un deseñado para baterías de calcio. Isto débese a que a entrada de voltaxe adoita ser superior á recomendada para baterías de ciclo profundo de litio. Pero non te preocupes, se usas accidentalmente un cargador de calcio, o BMS detectará a alta tensión e entrará en modo seguro, protexendo a túa batería de calquera dano. Polo tanto, non rompas o banco comprando un cargador especial; só tes que usar o que xa estás e xa estarás listo.

Canto dura unha batería de iones de litio?

As baterías de iones de litio son a potencia detrás dos teus aparellos cotiáns. Pero canto duran? Ben, a batería de ión-litio media debería durar entre 300 e 500 ciclos de carga/descarga. É como cargar o teléfono unha vez ao día durante máis dun ano. Ademais, non tes que preocuparte por problemas de memoria como antes. Só ten que manter a batería recargada e fresca e xa estará listo. Entón, se o coida ben, a súa batería de iones de litio debería durarche un bo tempo.

Cal é a principal desvantaxe da batería Li-ion?

A principal desvantaxe das baterías Li-ion é o seu custo. Son ao redor dun 40 % máis caros que o Ni-Cd, polo que se tes un orzamento limitado, podes buscar noutro lugar. Ademais, son propensos ao envellecemento, o que significa que poden perder capacidade e fallar despois duns anos. Ninguén ten tempo para iso! Polo tanto, se vas investir en Li-ion, asegúrate de investigar e obter o mellor rendemento.

Conclusión

En conclusión, as baterías Li-ion son unha tecnoloxía revolucionaria que alimenta os nosos dispositivos cotiáns, desde teléfonos móbiles ata vehículos eléctricos. Co coñecemento adecuado, estas baterías pódense usar de forma segura e eficiente, así que non teñas medo de dar o paso e explorar o mundo das baterías de ión-litio.

Ola, son Kim, unha nai e unha entusiasta do stop motion con experiencia en creación de medios e desenvolvemento web. Teño unha gran paixón polo debuxo e a animación, e agora estou mergullo de cabeza no mundo do stop motion. Co meu blog, comparto as miñas aprendizaxes con vós.