Cuatro sistemas funcionales de materiales básicos de las baterías de litio
Materiales de electrodos positivos
Posicionamiento funcional: fuente de almacenamiento de iones de litio, que representa más del 30% del costo total de la batería, dominando la densidad de energía y el voltaje de trabajo.
Tipos principales:
Óxido de litio y cobalto (LiCoO₂): densidad energética de 200 Wh/kg, se utiliza en teléfonos móviles y ordenadores portátiles, pero los recursos de cobalto son escasos y la estabilidad térmica es deficiente.
Óxido de litio y manganeso (LiMn₂O₄): bajo costo, alta seguridad (150 Wh/kg), utilizado en herramientas eléctricas, degradación del rendimiento del ciclo en entornos de alta temperatura
Materiales ternarios (LiNiₓCoᵧMn₂O₂): la densidad energética supera los 250 Wh/kg, equilibra el rendimiento y el coste, domina el mercado de vehículos eléctricos, la fórmula con alto contenido de níquel aumenta el riesgo de descontrol térmico
Fosfato de hierro y litio (LiFePO₄): seguridad extremadamente alta, ciclo de vida largo (140 Wh/kg), bajo costo pero bajo rendimiento a bajas temperaturas, ampliamente utilizado en vehículos comerciales y centrales eléctricas de almacenamiento de energía.
Materiales de electrodos negativos
Posicionamiento funcional: portador de incrustación de iones de litio, determina la tasa de carga y descarga y el ciclo de vida
Soluciones comerciales:
Electrodo negativo de grafito: excelente conductividad, cambio de volumen <10%, ciclo de vida >1000 veces, límite superior de capacidad teórica 372 mAh/g restringe la mejora de la densidad de energía
Avances fronterizos:
Electrodo negativo a base de silicio: capacidad teórica 4200 mAh/g (más de 10 veces la del grafito), pero la expansión del volumen de carga y descarga del 300 % provoca la ruptura del electrodo, que debe aliviarse con un compuesto de nanosilicio y carbono (proporción de silicio <15 %)
Electrodo negativo de estaño metálico: capacidad 992 mAh/g, expansión de volumen 260 % conduce a un ciclo de vida de menos de 200 veces
Electrodo negativo de metal de litio: solución definitiva (3860 mAh/g), se requiere un electrolito sólido para inhibir el crecimiento de las dendritas
Diafragma
Posicionamiento funcional: aislante electrónico y canal selectivo de iones de litio, la estructura microporosa evita cortocircuitos entre electrodos positivos y negativos.
Tecnologías clave:
Una porosidad del 40%-60% garantiza el equilibrio entre la conducción de iones y la resistencia mecánica.
La porosidad del diafragma de polietileno (PE) es de 130 ℃, lo que bloquea la corriente en caso de fuga térmica.
El revestimiento cerámico mejora la resistencia a altas temperaturas, superiores a 200 ℃.
Electrólito
Posicionamiento funcional: medio conductor de iones, determina la ventana de seguridad de la batería y la adaptabilidad de la temperatura.
Clasificación del sistema:
Electrolito líquido: solución de carbonato de hexafluorofosfato de litio (LiPF₆), utilizada en productos electrónicos de consumo y baterías eléctricas.
Polímero en gel: sistema de óxido de polietileno-bistrifluorometanosulfonil imida de litio (PEO-LiTFSI), adecuado para dispositivos flexibles
Electrolito sólido: cristal de sulfuro/óxido, que permite la próxima generación de baterías de alta seguridad
Avances en la investigación de nuevos materiales
Electrodo positivo de alta capacidad:
La capacidad de las baterías basadas en manganeso ricas en litio (xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂) supera los 300 mAh/g
La densidad energética teórica del electrodo positivo de azufre es de 2600 Wh/kg, lo que implica superar el problema de la disolución del polisulfuro.
Electrodo negativo de carga rápida:
Las características de "deformación cero" del titanato de litio (Li₄Ti₅O₁₂) alcanzan los 10 000 ciclos, pero la plataforma de voltaje de 1,55 V reduce la salida total de la batería.
Electrolito sólido:
La conductividad de los iones de sulfuro (como Li₁₀GeP₂S₁₂) es cercana a la del electrolito líquido, la impedancia de la interfaz y el costo de producción en masa dificultan la industrialización.
Sinergia y economía de materiales
Los materiales de los electrodos positivos (que representan el 30%) dominan la densidad energética, los materiales de los electrodos negativos (15%) determinan la vida útil, el electrolito (10%) crea una ventana de seguridad y el diafragma (20%) se encarga de la protección térmica. Los cuatro materiales principales deben combinarse sistemáticamente, y la innovación en un solo material debe considerar la compatibilidad de todo el sistema. La iteración tecnológica actual se centra en tres vías principales: un alto contenido de níquel en el electrodo positivo para mejorar la energía específica, un electrodo negativo de silicio-carbono para superar el cuello de botella de capacidad y un electrolito sólido para eliminar los riesgos de seguridad.
