La diferencia entre las baterías de iones de litio y de polímero de litio

Una batería de polímero de iones de litio (LiPo) (también conocida como Li-poli, litio-poli, PLiON y otros nombres) es una batería de iones de litio recargable con un electrolito de polímero en el electrolito líquido utilizado en las baterías de iones de litio convencionales. Hay una variedad de productos químicos de LiPo disponibles. Todos utilizan un polímero de gel de alta conductividad como electrolito. Los LiPos proporcionan energías específicas más altas que otras baterías de litio, a menudo utilizadas en sistemas donde el peso es un factor importante, como dispositivos móviles, drones y algunos vehículos eléctricos. Esta FAQ comienza con una comparación de alto nivel de baterías Li-ion y LiPo, seguida de un vistazo detallado a las seis químicas básicas de baterías de litio más adecuadas para su uso en baterías LiPo. Se cierra con una mirada hacia el futuro y el posible desarrollo de baterías de polímero de aluminio y aire y baterías de estado sólido.

Todas las baterías de litio incluyen una barrera para separar el ánodo y el cátodo, al tiempo que permiten el movimiento de iones entre los electrodos. En una LiPo, el separador de polímero también contiene el electrolito. Además, los separadores de polímeros pueden proporcionar una función adicional que actúa como” separadores de apagado ” que pueden apagar la batería si se calienta demasiado durante la carga o descarga. Los separadores de parada son estructuras multicapa con al menos una capa de polietileno que puede detener el flujo de corriente cuando la temperatura aumenta demasiado y al menos una capa de polipropileno que actúa como una forma de soporte mecánico para el separador.

Intercalación y calcomanía de iones de litio de un electrodo positivo y un electrodo negativo. A excepción del separador de polímeros, los LiPos funcionan con el mismo principio que los iones de litio. Sin embargo, están empaquetados de maneras muy diferentes.

Los iones de litio se entregan generalmente en una caja de acero inoxidable o aluminio. El estuche es más a menudo cilíndrico, pero puede ser en forma de botón o rectangular (prismático). El estuche es relativamente costoso de producir y tiende a restringir los tamaños y formas disponibles. Pero también es robusta, ayudando a proteger la batería de daños. La carcasa se sella mediante un proceso de soldadura por láser.

La construcción de la batería de iones de litio es relativamente complicada con un gran número de componentes. (Imagen: TechSci Research)

Los LiPos se empaquetan en una “bolsa” de papel de aluminio y se llaman células blandas o bolsas. La bolsa es en su mayoría prismática y más fácil de fabricar, y de menor costo que las cajas de iones de litio de acero inoxidable o aluminio. Este tipo de construcción también permite la producción de baterías con una variedad de configuraciones personalizadas. Los otros componentes de LiPos incluyen capas delgadas de obleas (< 100 µm) que se pueden producir en masa a un costo relativamente bajo. Sustituir el metal por la bolsa de aluminio puede dar como resultado baterías ligeras y de alta densidad de energía. Se pueden lograr tanto formatos grandes como alturas de menos de 1 mm, pero las celdas requieren un manejo mecánico cuidadoso.

Construcción de bolsa de batería de polímero de litio. (Imagen: Jauch)

El uso de LiPos está sujeto a muchos de los mismos desafíos con los que deben lidiar los usuarios de iones de litio, incluida la sobrecarga, la descarga excesiva, el funcionamiento con sobrecalentamiento y los cortocircuitos internos. Además, el aplastamiento o la penetración de uñas de las bolsas de LiPo puede dar lugar a fallas catastróficas que van desde rupturas de bolsas hasta fugas de electrolitos e incendios.

Al igual que los iones de litio, los LiPos pueden expandirse a altos niveles de sobrecarga debido a la vaporización del electrolito. La vaporización del electrolito puede causar delaminación, causando malos contactos entre las capas internas de la célula, reduciendo la confiabilidad y la vida útil del ciclo. Esta expansión puede ser particularmente notable para LiPos, que literalmente puede inflarse. También puede causar daños estructurales al sistema anfitrión.

La siguiente tabla compara los voltajes y las aplicaciones típicas de las seis químicas básicas de baterías de litio. Otras características de estas baterías incluyen:

• LCO-200Wh / kg, ofrece una alta potencia, pero con la compensación de vidas relativamente cortas, clasificaciones de baja potencia y baja estabilidad térmica.
• LFP-120Wh / kg, tiene ciclos de vida largos y estabilidad a altas temperaturas de funcionamiento.
• LMO – 140Wh/kg, los cátodos se basan en componentes de óxido de manganeso que son abundantes, baratos, no tóxicos y proporcionan una buena estabilidad térmica.
• NCA-250Wh / kg, ofrece una alta energía específica y una vida útil de ciclo larga.
• NMC-200Wh / kg, variando las proporciones de los componentes químicos permite el desarrollo de baterías optimizadas como celdas de energía o energía. Debido a su flexibilidad, es uno de los sistemas químicos de baterías de litio más exitosos.
• LTO-80Wh / kg, la energía específica más baja, pero se puede cargar rápidamente, descargar hasta 10 veces su capacidad nominal y es seguro.

Comparación de voltajes y aplicaciones de baterías de litio. (Imagen: Investigación de TechSci)

Tenga en cuenta que las baterías NMC, LCO y NCA contienen cobalto que ayuda a proporcionar capacidades de mayor potencia. Pueden proporcionar grandes cantidades de energía en un paquete pequeño, pero pueden ser más susceptibles a eventos térmicos que pueden causar problemas de seguridad.

La siguiente figura incluye diagramas de araña que comparan los tipos básicos de baterías de litio en función de su idoneidad para su uso en vehículos eléctricos (VE). En estos diagramas de araña, las baterías que son más adecuadas para los vehículos eléctricos tienen un área de color más grande. Los factores considerados son energía específica, potencia específica, seguridad, rendimiento, vida útil y costo. La energía específica en Wh / kg se refiere a la gama de vehículos eléctricos. La potencia específica en W / kg se refiere a la aceleración EV. En el caso de los vehículos eléctricos en particular, la seguridad es una consideración crítica. El parámetro de rendimiento refleja la capacidad de la batería para usarse en condiciones de temperatura extremas, también una consideración importante en aplicaciones automotrices. La vida útil es una combinación de ciclo de vida y longevidad. Coste intenta capturar todos los costes relacionados, incluidos los sistemas auxiliares para la gestión térmica, la seguridad, la gestión de la batería y el monitoreo, y la necesidad de un período de garantía extendido en los vehículos eléctricos.

Comparación de rendimiento para diversas sustancias químicas de iones de litio que miden la idoneidad para su uso en vehículos eléctricos. (Imagen: MDPI)

LIPO chemistries

Un electrolito polimérico da como resultado varias mejoras de rendimiento, incluidas baterías ligeras y de alta densidad de energía. Dependiendo de la estructura de las capas de polímero, también puede mejorar la seguridad de la batería. En comparación con las baterías de iones de litio convencionales, las baterías LiPo se pueden fabricar con una gama más amplia de densidades de energía específicas (Wh/kg) y densidades de potencia específicas (W/kg), lo que hace que las baterías LiPo sean más flexibles en una gama más amplia de aplicaciones potenciales. Como resultado, la tecnología LiPo se utiliza en todas las principales industrias químicas de baterías de litio:

• Batería de óxido de cobalto de litio (LCO)
• Batería ternaria de iones de litio (NCA, NMC)
• Batería de óxido de manganeso de iones de litio (LMO)
• Batería de fosfato de hierro de litio (LFP)

Ragone plot comparando baterías de iones de litio, LiPo (PLiON) y otras recargables. (Imagen: MDPI)

Baterías de polímero de aluminio-aire y sólido

Las baterías de polímero de aluminio-aire están en desarrollo activo. Estos diseños de alta densidad de energía tienen un separador de polímeros en contacto directo con el ánodo de litio para separarlo del cátodo. Al igual que en otras baterías de polímero, el separador evita que la batería se cortocircuite y absorbe el electrolito líquido para soportar el transporte de iones y completar el circuito eléctrico.

Desafortunadamente, el ánodo de litio puede formar dendritas durante el ciclo de la batería. Estas dendritas pueden penetrar en el separador de polímeros y acortar la batería. Se están desarrollando separadores modificados que incluyen capas de óxido de grafeno. El óxido de grafeno protege el ánodo de contaminantes y evita fluctuaciones químicas en la superficie del ánodo de litio. El óxido de grafeno trabaja junto con la capa de polímero para detener el contacto directo entre el electrolito y el ánodo de litio sin reducir significativamente la conductividad iónica. Esta estructura combinada ralentiza la corrosión del electrolito en el ánodo. Se espera que en el futuro, el uso de dos tipos de capas para estabilizar el ánodo de litio dé lugar a baterías de muy alta densidad de energía con una vida útil de ciclo razonable.

También se están desarrollando células con electrolitos de polímero verdaderamente sólidos (SPE) en lugar de las membranas gelificadas actuales. Las células LiPo de hoy en día se consideran un sistema “híbrido” entre un ion de litio convencional y una batería de iones de litio de estado completamente sólido. Las membranas gelificadas son sistemas híbridos donde las fases líquidas están contenidas dentro de la matriz polimérica. Si bien pueden sentirse secos al tacto, pueden contener hasta un 50% de disolventes líquidos. Los sistemas actuales también se denominan sistemas de electrolitos de polímero híbrido (HPE) que combinan el material polimérico, el solvente líquido y la sal. Se están desarrollando SPE que son sistemas completamente libres de disolventes en un medio polimérico.

La nueva estructura de estado sólido también puede utilizar cátodos de conversión de energía específica de bajo costo y alta que no son compatibles con productos químicos de baterías a base de líquido, como iones de litio. Un ejemplo es un electrolito sólido de sulfuro patentado que admite silicio de alto contenido y metal de litio en el ánodo combinado con cátodos estándar de la industria y comercialmente maduros, incluidos óxidos de cobalto, manganeso, níquel y litio (NMC). Los nuevos cátodos se pueden combinar con metal de litio para eliminar el cobalto y el níquel y podrían reducir los costos de material activo del cátodo en un 90%.

Una hoja de ruta de desarrollo de baterías de estado sólido elimina el cobalto y el níquel del cátodo (extremo derecho). (Imagen: Poder sólido)

Se han producido células de estado sólido, entregando 2Ah utilizando equipos y procesos de iones de litio estándar de la industria. La producción comercial de una célula de ánodo de silicio de alto contenido de 20 Ah se espera para finales de 2021, con 100 Ah para 2022.

Resumen

LiPos ofrece varias mejoras de rendimiento en comparación con los iones de litio, incluidas baterías de mayor densidad de energía y peso más ligero. Además, los LiPos se pueden producir en una variedad más amplia de formas y tamaños. Sin embargo, los LiPos de hoy en día usan membranas gelificadas, no electrolitos poliméricos completamente sólidos (SPE). Las SPE están en desarrollo y podrían ampliar las ventajas de rendimiento de LiPos en ciertas aplicaciones. Las baterías de polímero de aluminio y aire ofrecen el potencial de densidades de energía muy altas (lo que resulta en rangos más largos para los vehículos eléctricos) y una buena vida útil del ciclo. Las baterías de litio de gran formato de estado completamente sólido están en el horizonte para más adelante en 2021.

Tecnologías Actuales de Baterías de iones de litio en Vehículos Eléctricos y Oportunidades para Avances, MDPI
Diferentes tipos de baterías de polímero de litio, Grepow
Introducción a la Tecnología de Baterías de Polímero de Litio, Jauch
Batería de polímero de litio, Wikipedia
Fabricación de baterías de iones de litio, TechSci Research
Tipos de Baterías de iones de litio, Universidad