Materiales en polvo en 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 baterías de litio. Algunos electrolitos de estado sólido son materiales en polvo, y algunos separadores modificados también contienen materiales en polvo.

Electrodo positivo

Los materiales de electrodos positivos comercializados incluyen óxido de litio y cobalto (LiCoO2), óxido de litio y manganeso (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2) y Fosfato de hierro y litio (LiFePO4).

Óxido de litio y cobalto (LiCoO2)Sólido negro a temperatura ambiente. Es un compuesto inorgánico conocido por su estabilidad, síntesis sencilla, alto rendimiento electroquímico y larga vida útil. Es el primer material catódico comercialmente exitoso para baterías de iones de litio y se utiliza principalmente en baterías 3C.
Óxido de litio y manganeso (LiMn2O4)Polvo gris negruzco con estructura cristalina de espinela cúbica. Contiene tres canales de transporte de iones de litio, lo que permite una difusión más rápida de los iones. Esto lo hace adecuado para baterías de iones de litio de alta velocidad de carga.
Material ternario positivo (LiNixMnyCozO2)Un material catódico ternario donde el Ni y el Mn sustituyen parcialmente al Co en LiCoO₂. Posee la estabilidad del LiCoO₂, la alta capacidad reversible del LiNiO₂ y la seguridad del LiMnO₂. Su menor contenido de Co reduce los costos, 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 Co o el Ni. Es rentable y cuenta con abundantes materias primas. Tiene un voltaje de funcionamiento moderado (3,2 V), alta capacidad específica (170 mAh/g), gran potencia de descarga, capacidad de carga rápida y una larga vida útil.

Electrodo negativo

Los materiales comunes para electrodos negativos 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.

Grafito:Compuesto principalmente de grafito, tiene alta conductividad, densidad energética, químico Estabilidad y bajos costos de fabricación. Disponible en formas naturales y artificiales.
Carbono duroEs carbono que no grafitiza a altas temperaturas. Presenta una disposición cristalina interna desordenada y una gran separación entre capas, lo que permite un mayor almacenamiento de carga, lo que mejora 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 numerosos defectos, lo que proporciona una gran cantidad de sitios activos para el almacenamiento de litio, lo que favorece la inserción y extracción fluida de iones de litio.
titanato de litioUn polvo blanco con un alto voltaje de extracción de iones de litio (1,55 V frente a Li/Li+). Presenta 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 perspectivas de aplicación comercial como material de electrodo negativo para baterías de litio de almacenamiento y alimentación.
Materiales a base de silicioIncluye nanosilicio y subóxido de silicio. Estos materiales se utilizan para ánodos de silicio-carbono u óxido de silicio. Los ánodos de silicio ofrecen una capacidad específica y una densidad energética mucho mayores que los de carbono, lo que los convierte en los materiales para ánodos de nueva 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. La flexibilidad del PVDF garantiza que las sustancias activas no se desprendan durante la expansión y la contracción.
Caucho de estireno-butadieno (SBR)El SBR se utiliza ampliamente como aglutinante a base de agua, especialmente en aglutinantes de ánodos, donde se aplica el 98%. Ofrece una fuerte adhesión, estabilidad mecánica y facilidad de uso. Ayuda a unir partículas y mejora la dinámica de las baterías, reduciendo la impedancia y mejorando la estabilidad cíclica.

Agentes conductores

Los agentes conductores se utilizan para garantizar un buen rendimiento de carga/descarga mediante la captación de microcorrientes y su conducción hacia el colector de corriente (lámina de aluminio o cobre). Entre los agentes conductores más comunes se incluyen: negro carbón, fibras de carbono cultivadas en vapor (VGCF) y nanotubos de carbono (CNT).
Negro carbónUn carbono amorfo, un polvo negro fino y suelto, se produce mediante la combustión incompleta de sustancias orgánicas y un tratamiento a alta temperatura para mejorar la conductividad y la 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 en vapor (VGCF)Estas fibras presentan un alto módulo de flexión y baja expansión térmica. La adición de VGCF mejora la flexibilidad y la estabilidad mecánica, lo que las hace adecuadas para baterías de larga duración y alto rendimiento, como las utilizadas en vehículos eléctricos.
Nanotubos de carbono (CNT)La impedancia de los CNT es solo la mitad que la del negro de humo. Una 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 31TP³T del peso del material del electrodo positivo, mientras que la de CNT es de tan solo 0,81TP³T a 1,51TP³T. 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 ultrafinas para su procesamiento.

Electrolitos de estado sólido

Algunos electrolitos de estado sólido también están en forma de polvo:

Disulfuro de germanio de alta pureza (GeS2)Polvo blanco con alta conductividad iónica, estabilidad química y larga vida útil. Alcanza una pureza del 99,991 TP3T.
Óxido de litio, lantano y circonio (LLZO)Este material posee una excelente conductividad iónica (1,5 × 10⁻⁻¹S/cm) y se utiliza para la preparación de baterías de litio de estado sólido. Se puede sintetizar mediante sol-gel, combustión a baja temperatura, microemulsión y otros métodos.
Óxido de litio, lantano, circonio y tantalio (LLZTO)Ofrece alta conductividad iónica, estabilidad química y térmica. Al optimizar el 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 y fósforo de litio (sulfuro de alta estabilidad) y sulfuro de azufre y fósforo de litio y germanio.

Separador de batería

Los separadores tradicionales presentan poca estabilidad a altas temperaturas, lo que afecta la seguridad. Para mejorar la seguridad, se modifican añadiendo 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 excelentes propiedades químicas, estabilidad térmica y mecánicas. Se utiliza comúnmente en separadores cerámicos para mejorar el rendimiento general de los separadores de poliolefina. También es el polvo inorgánico que se utiliza 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 cristalina. Es un precursor insustituible del óxido de aluminio. La producción de AlOOH es más sencilla que la de α-Al₂O₃. En la industria, la boehmita en suspensión se obtiene mediante el método hidrotermal de gibbsita, y posteriormente se obtiene polvo ultrafino de AlOOH mediante filtración, secado y trituración.
Dióxido de titanio (TiO2)El TiO₂ no es tóxico, es estable y fácil de controlar durante la preparación. Mejora la estabilidad térmica del separador y la humectabilidad del electrolito, y reduce la impedancia de la interfaz, mejorando así el transporte de iones de litio. Es un buen material para modificar separadores de polímeros orgánicos.
Dióxido de silicio (SiO2)El SiO₂ es un relleno inorgánico común para modificar polímeros. Su gran superficie y sus grupos hidroxilo (Si-OH) mejoran la humectabilidad del separador, optimizan el transporte de iones de litio y optimizan el rendimiento electroquímico. El SiO₂ también refuerza la resistencia mecánica del separador y previene el crecimiento de dendritas, lo que reduce 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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