Química celular y partes
Las celdas de la batería son la parte más importante del sistema de batería y el factor más importante tanto en términos de costo como de rendimiento en los vehículos eléctricos.
Ánodo
El ánodo es uno de los dos electrodos de la batería de un vehículo eléctrico (EV), siendo el otro el cátodo. El ánodo es el electrodo donde se produce la oxidación durante el ciclo de descarga de la batería, liberando electrones al circuito externo para alimentar el dispositivo o vehículo. Durante el ciclo de carga, el ánodo es donde se produce la reducción, absorbiendo electrones del circuito externo y almacenando energía en la batería.
En una batería de iones de litio, el ánodo suele estar hecho de grafito, que tiene una estructura en capas que permite que los iones de litio se intercalen o inserten entre las capas. Cuando la batería se descarga, los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo a través del electrolito, mientras que los electrones fluyen a través del circuito externo para alimentar el dispositivo. Durante el ciclo de carga, ocurre el proceso inverso: los iones de litio pasan del cátodo al ánodo, donde se almacenan.
El rendimiento del ánodo es un factor crítico en el rendimiento general y la seguridad de una batería de vehículo eléctrico. Un material de ánodo de alta calidad debe tener una alta capacidad de almacenamiento de iones de litio, buena conductividad, buena estabilidad estructural y ser resistente a la degradación durante múltiples ciclos de carga y descarga. El ánodo de grafito utilizado en la mayoría de las baterías de iones de litio cumple estos requisitos, pero los investigadores también están explorando otros materiales anódicos como el silicio, que tiene una capacidad de almacenamiento mucho mayor pero es más propenso a degradarse.
Algunas empresas como StoreDot están trabajando en ánodos basados en [silicio](https://www.store-dot.com/blog/silicon-dominant-anodes-pave-the-way-for-future-li-ion-ev- baterías). En teoría, esto podría hacer que la densidad de energía a nivel de celda casi se duplique, lo que traería beneficios obvios a los vehículos eléctricos. Más allá de esto, los ánodos de Si también podrían mejorar el atractivo de las celdas de menor energía, como las LFP, reduciendo la brecha con las celdas basadas en NMC y minimizando la principal desventaja de las LFP (densidad de energía limitada), especialmente en aplicaciones de vehículos eléctricos. Las estimaciones muestran que incorporar un 20 por ciento de Si en un ánodo podría mejorar la densidad de energía de una celda LFP en un 17 por ciento, aunque el costo adicional del ánodo de Si puede ser prohibitivo.
cátodo
El cátodo es el electrodo donde se produce la reducción durante el ciclo de descarga de la batería, aceptando electrones del circuito externo para alimentar el dispositivo o vehículo. Durante el ciclo de carga, el cátodo es donde se produce la oxidación, liberando electrones al circuito externo y almacenando energía en la batería.
En una batería de iones de litio, el cátodo suele estar hecho de un óxido metálico, como óxido de litio y cobalto (LCO), óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (NMC) o fosfato de litio y hierro (LFP). La elección del material del cátodo puede tener un impacto significativo en el rendimiento, la seguridad y el coste de la batería.
Óxidos de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC)
Los cátodos NMC son una opción popular para las baterías de vehículos eléctricos debido a su alta densidad de energía y buena estabilidad térmica. Ofrecen un equilibrio entre densidad de energía y densidad de potencia, lo que los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones de vehículos eléctricos.
Existen diferentes versiones de cátodos NMC (óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto) que se utilizan en baterías de vehículos eléctricos (EV). La composición y proporción de los metales utilizados en el cátodo pueden variar, lo que da como resultado diferentes propiedades y características de rendimiento.
Los cátodos NMC más comunes utilizados en las baterías de vehículos eléctricos son NMC111, NMC532 y NMC622, que se refieren a las proporciones de níquel, manganeso y cobalto en el cátodo. Por ejemplo, NMC111 contiene una parte de níquel, una parte de manganeso y una parte de cobalto, mientras que NMC523 contiene cinco partes de níquel, tres partes de manganeso y dos partes de cobalto. Cuanto mayor sea el contenido de níquel, mayor será la densidad de energía del cátodo, pero también mayor el coste.
Más recientemente, ha habido avances en la tecnología de cátodos NMC que utilizan un contenido de níquel aún mayor, como NMC811 (ocho partes de níquel, una parte de manganeso y una parte de cobalto) y NMC622. Estos cátodos ofrecen una densidad de energía aún mayor, pero también pueden presentar algunos desafíos relacionados con la estabilidad térmica y el ciclo de vida. NCM9 es la evolución más reciente donde el níquel representa el 90% del contenido.
Además de las proporciones metálicas, el tamaño de las partículas y la morfología del material del cátodo también pueden afectar el rendimiento. Por ejemplo, los tamaños de partículas más pequeños pueden mejorar la capacidad de velocidad y la densidad de potencia de la batería, mientras que las partículas más grandes pueden mejorar la densidad de energía.
En general, la elección de la composición y morfología del cátodo NMC depende de los requisitos específicos de la batería del vehículo eléctrico, incluida la densidad de energía, la densidad de potencia, la estabilidad térmica, la durabilidad y el costo. Los fabricantes de baterías investigan y desarrollan constantemente nuevos materiales de cátodos NMC para mejorar el rendimiento y la eficiencia de las baterías de vehículos eléctricos.
Óxidos de aluminio, litio, níquel y cobalto (NCA)
Los cátodos NCA tienen una alta densidad de energía y se utilizan en baterías de vehículos eléctricos, especialmente en los vehículos de Tesla. Los cátodos NCA ofrecen una alta densidad de energía y un buen rendimiento, lo que los convierte en una opción popular para muchos fabricantes de vehículos eléctricos.
La composición de los cátodos NCA suele incluir níquel, cobalto, aluminio y oxígeno. La proporción exacta de estos elementos puede variar según la aplicación específica y los requisitos de la batería. Los cátodos NCA ofrecen una alta densidad de energía, lo que significa que pueden almacenar más energía por unidad de peso o volumen en comparación con otros materiales catódicos. Esto da como resultado una autonomía de conducción más larga para los vehículos eléctricos equipados con baterías NCA.
Los cátodos NCA también tienen una buena densidad de potencia, lo que significa que pueden ofrecer una alta potencia cuando sea necesario, como durante la aceleración o el frenado regenerativo. Las baterías NCA también tienen un ciclo de vida prolongado, lo que significa que pueden soportar muchos ciclos de carga y descarga sin una degradación significativa, lo que las convierte en una opción confiable y duradera para aplicaciones de vehículos eléctricos.
Sin embargo, los cátodos NCA pueden ser sensibles a las altas temperaturas, lo que puede provocar degradación térmica y reducir su vida útil. Para solucionar este problema, los fabricantes de vehículos eléctricos suelen utilizar sofisticados sistemas de gestión térmica de la batería para mantener la temperatura de la batería dentro de un rango operativo seguro.
En general, los cátodos NCA ofrecen un buen equilibrio entre densidad de energía y densidad de potencia, lo que los convierte en una opción popular para los vehículos eléctricos que requieren un alto rendimiento y una larga autonomía. Sin embargo, su sensibilidad a las altas temperaturas significa que requieren una gestión térmica cuidadosa para mantener su rendimiento y vida útil.
Batería de fosfato de hierro y litio (LFP)
El fosfato de litio y hierro (Ferro) (LFP) es un material catódico comúnmente utilizado en baterías de vehículos eléctricos (EV) debido a su alta estabilidad térmica y su largo ciclo de vida. Los cátodos LFP tienen una densidad de energía menor en comparación con otros tipos de cátodos, pero ofrecen buena seguridad, durabilidad y rentabilidad.
La composición de los cátodos LFP consiste en fosfato de hierro y litio (LiFePO4), que es un material relativamente estable y no tóxico en comparación con otras químicas de baterías de iones de litio. Esto hace que los cátodos LFP sean una opción popular para las baterías de vehículos eléctricos en China, donde las normas de seguridad son estrictas.
Marcas como Tesla han empezado a utilizar LFP en sus modelos de gama baja.
Ventajas con LFP
Una de las ventajas clave de los cátodos LFP es su alta estabilidad térmica, lo que los hace menos susceptibles a la fuga térmica y al sobrecalentamiento en comparación con otros tipos de cátodos. Esto se debe a que el enlace químico entre el hierro, el oxígeno y el fósforo en la estructura del cátodo es más fuerte que el de otros materiales del cátodo. Como resultado, las baterías LFP pueden funcionar a altas temperaturas sin necesidad de sistemas de refrigeración activos, lo que reduce la complejidad y el coste del paquete de baterías.
Otra ventaja de los cátodos LFP es su largo ciclo de vida, lo que significa que pueden soportar muchos ciclos de carga y descarga sin una degradación significativa. Esto hace que las baterías LFP sean una buena opción para aplicaciones que requieren una larga vida útil y alta confiabilidad, como vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía.
El costo es menor que el de los productos químicos a base de níquel. Normalmente alrededor de un 20% menos por cada kWh.
Contras
Los cátodos LFP tienen una densidad de energía menor en comparación con otros tipos de cátodos, lo que significa que tienen una menor capacidad para almacenar energía por unidad de peso o volumen. Esto los hace menos adecuados para vehículos eléctricos que requieren una gran autonomía y densidad de energía.
El rendimiento de la batería LFP en climas fríos es peor que el de otras baterías de iones de litio, como las baterías NCA/NMC. Las temperaturas frías ralentizan las reacciones químicas dentro de las baterías, reduciendo su capacidad de descarga y velocidad de carga.
Las baterías LFP se cargan más lentamente en climas fríos que las baterías NCA/NMC y su autonomía disminuye algo más que las baterías NCA en climas fríos. Sin embargo, las baterías LFP aún pueden funcionar de forma segura y confiable en temperaturas que oscilan entre -20 °C y 60 °C (-4 °F y 140 °F).
Fosfato de hierro, manganeso y litio (LMFP)
La química de la batería LMFP es un tipo de química de la batería de iones de litio que utiliza fosfato de hierro, manganeso y litio (LiMn x Fe 1-x PO 4) como material del cátodo y un electrodo de carbono grafítico con un respaldo metálico como ánodo. La química de las baterías LMFP combina la alta seguridad del fosfato de litio y hierro (LFP) y la alta densidad energética del fosfato de litio y manganeso (LMP). La química de las baterías LMFP es un material catódico prometedor para baterías de iones de litio de alto rendimiento, especialmente para vehículos eléctricos.
Algunas de las ventajas de la química de las baterías LMFP son:
- Alta estabilidad térmica y bajo riesgo de fuga térmica
- Alta densidad de potencia y capacidad de carga rápida
- Alto ciclo de vida y buen rendimiento
- Bajo coste y respeto al medio ambiente.
- Plataforma de alta tensión y capacidad específica mejorada
Algunos de los desafíos de la química de las baterías LMFP son:
- Baja conductividad electrónica y coeficiente de difusión de iones de litio.
- Transición de fase y distorsión reticular durante el ciclo.
- Disolución de manganeso a altas temperaturas.
- Compatibilidad de electrolitos y estabilidad de la interfaz.
Resumen de materiales del cátodo
La siguiente tabla resume las diferencias.
| # | NCA | NMC | LFP |
|---|---|---|---|
| Gravimetric density | 240-272 Wh/kg | 200-272 Wh/kg | 90-120Wh/kg |
| Volummetric density | 580-720 Wh/l | 500 - 620 Wh/l | 220-300 Wh/l |
| Cycles | 500-1000 | 1000-2000 | 2000 - 5000 |
Separador
Un separador es un componente esencial de la batería de un vehículo eléctrico (EV) que se coloca entre el cátodo y el ánodo para evitar que se toquen y provoquen un cortocircuito. El separador suele ser una membrana delgada y porosa hecha de un material polimérico que permite el flujo de iones de litio entre el cátodo y el ánodo, al tiempo que evita el flujo de electrones.
El separador cumple varias funciones importantes en una batería de EV. En primer lugar, proporciona una barrera física entre el cátodo y el ánodo, evitando que entren en contacto directo y provoquen un cortocircuito. En segundo lugar, permite el flujo de iones de litio, necesarios para el funcionamiento de la batería. En tercer lugar, ayuda a mantener la uniformidad de la estructura interna de la batería al prevenir la formación de dendritas, que son estructuras diminutas en forma de agujas que pueden crecer desde el ánodo y perforar el separador, provocando un cortocircuito.
La elección del material del separador puede tener un impacto significativo en el rendimiento y la seguridad de la batería. Un buen material separador debe tener alta conductividad iónica, baja conductividad eléctrica y buena estabilidad térmica. También debería poder soportar las tensiones de los ciclos repetidos de carga y descarga sin degradarse, y ser resistente a la degradación térmica y química.
Hay varios tipos de materiales separadores utilizados en las baterías de vehículos eléctricos, incluidos polietileno (PE), polipropileno (PP) y materiales cerámicos como el fosfato de litio, aluminio y titanio (LATP). Cada tipo de separador tiene sus propias ventajas y desventajas, y la elección del material del separador depende de los requisitos específicos de la batería.
En resumen, el separador es un componente crítico de la batería de un vehículo eléctrico que ayuda a prevenir cortocircuitos y mantiene la uniformidad de la estructura interna de la batería, al tiempo que permite el flujo de iones de litio necesarios para que la batería funcione.
Electrolito
Los electrolitos líquidos de las baterías de iones de litio consisten en sales de litio en un disolvente orgánico, como carbonato de etileno, carbonato de dimetilo y carbonato de dietilo.
Un electrolito líquido actúa como una vía conductora para el movimiento de cationes que pasan del electrodo negativo al positivo durante la descarga y en la dirección opuesta durante la carga.
Los electrolitos basados en materiales sólidos son áreas en las que muchos trabajan. Se denominan baterías de estado sólido.
Las baterías de estado sólido tienen muchas ventajas potenciales, como una mayor densidad de energía, una carga más rápida, una vida útil más larga y una mayor seguridad. Sin embargo, también enfrentan muchos desafíos, como alto costo, baja densidad de potencia, mala estabilidad de la interfaz y difícil escalabilidad.
Las baterías de estado semisólido son un tipo híbrido de batería que combina electrolitos sólidos y líquidos. Su objetivo es superar algunos de los inconvenientes de las baterías de estado sólido, como la baja área de contacto y la lentitud de fabricación. Las baterías de estado semisólido tienen una mayor conductividad iónica, una menor resistencia interna y una mejor compatibilidad con el litio metálico que las baterías tradicionales. Sin embargo, también tienen menor densidad de energía, mayor peso y mayor complejidad que las baterías de estado sólido. Actualmente, solo Nio ha anunciado un paquete de estado semisólido que estará disponible en China durante 2024.
Las baterías de estado cuasi sólido son otro tipo híbrido de batería que utiliza un electrolito similar a un gel en lugar de uno líquido o sólido. Tienen propiedades similares a las baterías de estado semisólido, pero con más flexibilidad y viscosidad. Las baterías cuasi de estado sólido también pueden formar una capa protectora en la superficie del metal de litio, lo que mejora el rendimiento cíclico y la seguridad de la batería. Sin embargo, también adolecen de baja conductividad iónica, alta polarización y escasa resistencia mecánica.
Colector de corriente
El colector de corriente es un componente de una celda de batería que facilita el flujo de corriente eléctrica entre el electrodo y el circuito externo. En la mayoría de las celdas de batería, el colector de corriente es una fina lámina metálica que se coloca a cada lado del material del electrodo.
En una celda de batería de iones de litio, por ejemplo, el colector de corriente suele estar hecho de cobre o aluminio y está recubierto con una fina capa de carbono para mejorar la conductividad y evitar la corrosión. El colector de corriente normalmente se coloca en la superficie del material del electrodo, y cuando la celda se carga o descarga, la corriente fluye desde el colector de corriente a través del material del electrodo y regresa al circuito externo.
El diseño y los materiales utilizados para el colector de corriente pueden tener un impacto significativo en el rendimiento y la durabilidad de la celda de la batería. Por ejemplo, un colector de corriente con alta conductividad y baja resistencia puede ayudar a mejorar la eficiencia de la celda de la batería, mientras que un colector de corriente propenso a la corrosión puede reducir la vida útil de la celda.
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