Materiales en polvo en las baterías de litio: ¿sabes cuáles son?

Las baterías de litio se componen principalmente de ánodo, cátodo, separador, electrolito, aglutinante, agente conductor, colector de corriente y materiales de embalaje. Según la clasificación de la forma del material, el ánodo, el cátodo, el aglutinante y el agente conductor son: materiales en polvo En las baterías de litio, algunos electrolitos de estado sólido son materiales en polvo, y algunos separadores modificados también contienen materiales en polvo.

Electrodo positivo

Entre los materiales comercializados para electrodos positivos se incluyen el óxido de cobalto y litio (LiCoO2), el óxido de manganeso y litio (LiMn2O4), el NCM (LiNixMnyCozO2) y el fosfato de hierro y litio (LiFePO4).

• Óxido de cobalto y litio (LiCoO2)Sólido negro a temperatura ambiente. Es un compuesto inorgánico conocido por su estabilidad, síntesis sencilla, alto rendimiento electroquímico y larga vida útil. Fue el primer material catódico de éxito comercial para baterías de iones de litio y se utiliza principalmente en baterías 3C.
• Óxido de manganeso y litio (LiMn2O4)Polvo negro grisáceo con estructura cristalina de espinela cúbica. Contiene tres canales de transporte de iones de litio, lo que permite una difusión iónica más rápida. Esto lo hace idóneo para baterías de iones de litio de alta velocidad de carga.
• Material positivo ternario (LiNixMnyCozO2)Se trata de un material catódico ternario en el que el níquel y el manganeso sustituyen parcialmente al cobalto en el LiCoO₂. Hereda la estabilidad del LiCoO₂, la alta capacidad reversible del LiNiO₂ y la seguridad del LiMnO₂. Su menor contenido de cobalto reduce los costes, lo que lo convierte en un material catódico prometedor.
• Fosfato de hierro y litio (LiFePO4)Con una estructura de olivino, no contiene elementos costosos como el cobalto o el níquel. Es económico y cuenta con materias primas abundantes. Tiene un voltaje de funcionamiento moderado (3,2 V), una alta capacidad específica (170 mAh/g), una gran potencia de descarga, capacidad de carga rápida y una larga vida útil.

Electrodo negativo

Los materiales comunes para el electrodo negativo incluyen grafito, carbono duro, carbono blando, titanato de litio y materiales a base de silicio. El grafito es el más utilizado, y los materiales a base de silicio son los que presentan mayor potencial.

• GrafitoCompuesto principalmente de grafito, posee alta conductividad, densidad energética, estabilidad química y bajos costos de fabricación. Está disponible en formas naturales y artificiales.
• Carbono duroEs carbono que no se grafitiza a altas temperaturas. Posee una estructura cristalina interna desordenada y un amplio espacio entre capas, lo que permite un mayor almacenamiento de carga, mejorando así la densidad energética y la vida útil de la batería.
• Carbono blandoEste material se grafitiza fácilmente por encima de 2500 °C. Presenta un alto grado de orden y proporciona un voltaje de carga/descarga bajo y estable. Ofrece gran capacidad, alta eficiencia y buen rendimiento cíclico. Su estructura depende de la temperatura de sinterización. Los materiales de carbono blando preparados a temperaturas inferiores a 1000 °C presentan una gran cantidad de defectos, lo que proporciona numerosos sitios activos para el almacenamiento de litio, facilitando así la inserción y extracción fluida de iones de litio.
• titanato de litioSe trata de un polvo blanco con un alto voltaje de extracción de iones de litio (1,55 V frente a Li/Li+). Posee una alta seguridad y propiedades de "deformación cero", lo que garantiza un cambio estructural mínimo durante la inserción y extracción de iones de litio. Esto ofrece una vida útil teórica ilimitada. Por lo tanto, tiene un gran valor para la investigación y excelentes perspectivas de aplicación comercial como material de electrodo negativo para el almacenamiento de energía y la potencia de las baterías de litio.
• Materiales a base de silicioIncluye nanosilicio y subóxido de silicio. Estos materiales se utilizan para ánodos de silicio-carbono o de óxido de silicio. Los ánodos a base de silicio ofrecen una capacidad específica y una densidad energética mucho mayores que los materiales a base de carbono, lo que los convierte en los materiales de ánodo de próxima generación más prometedores.

Carpetas

Se utilizan aglutinantes como el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y el caucho de estireno-butadieno (SBR). El PVDF puede utilizarse tanto para el ánodo como para el cátodo, mientras que el SBR se suele utilizar para el ánodo.

• Fluoruro de polivinilideno (PVDF)El PVDF posee una excelente estabilidad química y resistencia a la corrosión. Resiste eficazmente el efecto corrosivo de los disolventes electrolíticos. Además, ofrece buenas propiedades de adhesión, rendimiento mecánico y procesabilidad. Su flexibilidad garantiza que las sustancias activas no se desprendan durante la expansión y contracción.
• Caucho de estireno-butadieno (SBR)El SBR se utiliza ampliamente como aglutinante a base de agua, especialmente en aglutinantes de ánodo, donde su aplicación se refleja en el 98%. Ofrece una fuerte adhesión, estabilidad mecánica y facilidad de uso. Ayuda a unir las partículas y mejora la dinámica de la batería, reduciendo la impedancia y optimizando la estabilidad del ciclo.

Agentes conductores

• Los agentes conductores se utilizan para garantizar un buen rendimiento de carga/descarga al recolectar las microcorrientes y dirigirlas al colector de corriente (lámina de aluminio o cobre). Entre los agentes conductores comunes se incluyen el negro de humo, las fibras de carbono cultivadas en fase vapor (VGCF) y los nanotubos de carbono (CNT).
• Negro carbónCarbono amorfo en forma de polvo negro fino y suelto. Se produce mediante la combustión incompleta de sustancias orgánicas y un tratamiento a alta temperatura para mejorar su conductividad y pureza. Es el agente conductor más utilizado en baterías de litio, ya que mejora el contacto entre partículas y forma una red conductora.
• Fibras de carbono cultivadas mediante deposición de vapor (VGCF)Estas fibras poseen un alto módulo de flexión y una baja expansión térmica. La adición de VGCF mejora la flexibilidad y la estabilidad mecánica, lo que las hace idóneas para baterías de larga duración y alto rendimiento, como las que se utilizan en vehículos eléctricos.
• Nanotubos de carbono (CNT)La impedancia de los nanotubos de carbono (CNT) es solo la mitad de la del negro de humo. Esta baja impedancia proporciona una buena conductividad, mejora la polarización y optimiza el rendimiento del ciclo. La cantidad de negro de humo añadida es de aproximadamente 31 TP3T del peso del material del electrodo positivo, mientras que la cantidad de CNT añadida es de tan solo 0,81 TP3T a 1,51 TP3T. Esta baja cantidad permite ahorrar espacio para los materiales activos, aumentando así la densidad energética. Sin embargo, los CNT no son fáciles de dispersar. Actualmente, la industria suele utilizar cizallamiento a alta velocidad, la adición de dispersantes y la dispersión electrostática con microesferas de molienda ultrafina para su procesamiento.

Electrolitos de estado sólido

Algunos electrolitos de estado sólido también se presentan en forma de polvo:

• Disulfuro de germanio de alta pureza (GeS2): Un polvo blanco con alta conductividad iónica, estabilidad química y larga vida útil. Puede alcanzar una pureza del 99,991 TP3T.
• Óxido de litio, lantano y zirconio (LLZO)Este material posee una excelente conductividad iónica (1,5 × 10⁻⁴ S/cm) y se utiliza para la fabricación de baterías de litio de estado sólido. Puede sintetizarse mediante sol-gel, combustión a baja temperatura, microemulsión y otros métodos.
• Óxido de litio, lantano, zirconio y tantalio (LLZTO)Ofrece alta conductividad iónica, estabilidad química y estabilidad térmica. Mediante la optimización del proceso de preparación y la estructura cristalina, sus propiedades eléctricas pueden mejorarse aún más para satisfacer las necesidades de las baterías de estado sólido de alto rendimiento.

Otros polvos electrolíticos de estado sólido incluyen sulfato de bario, cloruro de azufre de litio y fósforo (sulfuro de alta estabilidad) y sulfuro de litio, germanio y fósforo.

 Separador de batería

Los separadores tradicionales presentan poca estabilidad a altas temperaturas, lo que compromete la seguridad. Para mejorarla, se modifican mediante la adición de recubrimientos en polvo. Estos separadores modificados contienen materiales en polvo.

• Óxido de aluminio (Al2O3)El óxido de aluminio es abundante en la naturaleza y posee una excelente inercia química, estabilidad térmica y propiedades mecánicas. Se utiliza comúnmente en separadores cerámicos para mejorar el rendimiento general de los separadores de poliolefina. También es el polvo inorgánico que se emplea en grandes cantidades para la modificación de diafragmas de baterías de litio.
• Boehmita (AlOOH): La boehmita, también conocida como óxido de aluminio monohidratado, es un tipo de óxido de aluminio con agua de cristalización. Es un precursor insustituible del óxido de aluminio. La producción de AlOOH es más sencilla que la de α-Al₂O₃. En la industria, la suspensión de boehmita se obtiene mediante el método hidrotermal de gibbsita, y posteriormente se obtiene polvo ultrafino de AlOOH mediante filtrado, secado y trituración.
• Dióxido de titanio (TiO2)El TiO2 es no tóxico, estable y fácil de preparar. Mejora la estabilidad térmica del separador, la humectabilidad del electrolito y reduce la impedancia de la interfaz, optimizando así el transporte de iones de litio. Es un material idóneo para la modificación de separadores de polímeros orgánicos.
• Dióxido de silicio (SiO2)El SiO2 es un relleno inorgánico común utilizado para modificar polímeros. Su gran superficie y grupos hidroxilo (Si-OH) mejoran la humectabilidad del separador, optimizan el transporte de iones de litio y mejoran el rendimiento electroquímico. El SiO2 también refuerza la resistencia mecánica del separador y previene el crecimiento de dendritas, reduciendo los cortocircuitos térmicos. A diferencia del Al2O3, el TiO2 y el AlOOH, el SiO2 es más fácil de controlar y modificar.

Polvo épico

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