¿Cómo funcionan las baterías de iones de litio? ¿Cómo se carga y descarga?
1. Desarrollo y clasificación
La "batería de litio" es un tipo de batería que utiliza metal de litio o aleación de litio como materiales de electrodo positivo/negativo y utiliza una solución de electrolito no acuosa.
Las baterías de litio se utilizaron por primera vez en marcapasos. Las baterías de litio tienen las ventajas de una tasa de autodescarga extremadamente baja y un voltaje de descarga suave, lo que permite que los marcapasos implantados en el cuerpo humano funcionen durante mucho tiempo sin recargarse. Las baterías de litio generalmente tienen un voltaje nominal superior a 3,0 voltios y son más adecuadas para su uso como fuentes de alimentación de circuitos integrados. Las baterías de dióxido de manganeso se utilizan ampliamente en calculadoras, cámaras digitales y relojes.
Para desarrollar variedades con mejores prestaciones se han investigado diversos materiales para crear productos sin precedentes.
Las baterías de litio metálico fueron propuestas y estudiadas por primera vez por Gilbert N. Lewis en 1912.
En la década de 1970, M. S. Whittingham propuso y comenzó a estudiar las baterías de iones de litio.
En 1992, Sony desarrolló con éxito baterías de iones de litio. Su practicidad ha reducido en gran medida el peso y el volumen de los dispositivos electrónicos portátiles de las personas, como teléfonos móviles, portátiles y calculadoras.
Debido a que las propiedades químicas del litio metálico son muy activas, el procesamiento, almacenamiento y uso del litio metálico tienen requisitos medioambientales muy altos. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, las baterías de litio se han convertido en algo habitual.
Las baterías de litio se pueden dividir a grandes rasgos en dos categorías: baterías de metal litio y baterías de iones de litio.
Las baterías de iones de litio no contienen litio metálico y son recargables. La quinta generación de baterías recargables, las baterías de metal litio, nació en 1996. Su seguridad, capacidad específica, tasa de autodescarga y relación rendimiento-precio son mejores que las de las baterías de iones de litio. Debido a sus elevados requisitos técnicos, sólo en unos pocos países se fabrican empresas de esta batería de metal de litio.
2. Principio de funcionamiento
1. Batería de metal de litio
Generalmente, se utiliza dióxido de manganeso como material del electrodo positivo y litio metálico o su aleación metálica. Se utiliza como material de electrodo negativo. Baterías que utilizan soluciones de electrolitos no acuosos.
Reacción de descarga: Li+MnO2=LiMnO2
2. Batería de iones de litio:
Las baterías de iones de litio generalmente utilizan óxido metálico de aleación de litio como electrodo positivo. Material Baterías que utilizan grafito como material del electrodo negativo y electrolitos no acuosos.
La reacción que se produce en el electrodo positivo de carga es
LiCoO2=Li(1-x)CoO2+xLi++xe-(electrón)
La reacción que se produce en el electrodo negativo de carga La reacción es
6C+xLi++xe-?= LixC6
La reacción total de la batería recargable: LiCoO2+6C = Li (1-x)CoO2+LixC6
3. Características
El peso de las baterías de iones de litio de alta densidad energética es la mitad que el de las baterías de níquel-cadmio o níquel-hidrógeno con la misma capacidad, y el volumen es 20-30% de níquel-cadmio y 35-50% de níquel-hidrógeno.
Alto voltaje El voltaje de funcionamiento de una celda de batería de iones de litio es de 3,7 V (promedio), lo que equivale a tres baterías de níquel-cadmio o níquel-hidruro metálico conectadas en serie.
Las baterías de iones de litio libres de contaminación no contienen sustancias metálicas nocivas como cadmio, plomo y mercurio.
Las baterías de iones de litio que no contienen litio metálico no contienen litio metálico, por lo que no están restringidas por las regulaciones de transporte aéreo, como la prohibición del transporte de baterías de litio en aviones de pasajeros.
Ciclo de vida elevado En condiciones normales, los ciclos de carga y descarga de las baterías de iones de litio pueden superar las 500 veces, y el de las de fosfato de hierro y litio puede llegar a las 2.000 veces.
Sin efecto memoria El efecto memoria se refiere al fenómeno de que la capacidad de la batería disminuye durante el ciclo de carga y descarga de las baterías de níquel-cadmio. Este efecto no existe con las baterías de iones de litio.
La carga rápida utiliza un cargador de corriente constante y voltaje constante con un voltaje nominal de 4,2 V, que puede cargar completamente la batería de iones de litio en 1,5 a 2,5 horas y la batería de fosfato de hierro y litio recientemente desarrollada ya puede; ser cargado Completamente cargado en 35 minutos.
3. Análisis de ventajas y desventajas
1. Ventajas
(1) La energía es relativamente alta.
Tiene una alta densidad de energía de almacenamiento, que alcanza 460-600 Wh/kg, que es aproximadamente 6-7 veces mayor que la de las baterías de plomo-ácido;
(2) Larga vida útil, la vida útil puede alcanzar más de 6 años, fosfato ferroso La batería con litio como electrodo positivo se puede cargar y descargar a 1C (100% DOD) y tiene un récord de uso 10,000 veces;
(3) El voltaje nominal es alto ( el voltaje de funcionamiento de una sola celda es de 3,7 V o 3,2 V), que es aproximadamente El voltaje en serie de tres baterías recargables de níquel-cadmio o níquel-hidruro metálico facilita la formación de un paquete de energía de batería; la batería de litio puede usar un litio nuevo; Tecnología de regulador de voltaje de batería para ajustar el voltaje a 3,0 V, lo que lo hace adecuado para su uso en pequeños aparatos eléctricos.
(4) Tiene una alta resistencia de potencia, entre las cuales la batería de iones de litio de fosfato de hierro y litio utilizada en vehículos eléctricos puede alcanzar una capacidad de carga y descarga de 15-30 C, lo que facilita el arranque y la aceleración de alta intensidad. ;
(5) La tasa de autodescarga es muy baja, que es una de las ventajas más destacadas de esta batería. Generalmente puede ser inferior al 1%/mes, que es menos de 1/20. del de las baterías de hidruro metálico de níquel;
(6) Peso ligero, el peso es aproximadamente 1/6-1/5 de los productos de plomo-ácido en el mismo volumen; (7) Adaptabilidad a altas y bajas temperaturas, se puede usar en un ambiente de -20 ℃ - 60 ℃. Se puede usar en el ambiente y se puede usar en un ambiente de -45 ℃ después del tratamiento tecnológico;
(8) Ecológico y respetuoso con el medio ambiente, no contiene ni produce plomo ni mercurio, independientemente de su producción, uso y eliminación, cadmio y otros elementos y sustancias de metales pesados tóxicos y nocivos.
(9) La producción básicamente no consume agua, lo cual es muy beneficioso para mi país, que tiene escasez de agua.
La energía específica se refiere a la energía por unidad de peso o unidad de volumen. La energía específica se expresa en Wh/kg o Wh/L. Wh es la unidad de energía, W es el vatio, h es la hora, kg es el kilogramo (unidad de peso) y L es el litro (unidad de volumen).
2. Desventajas
1. Las baterías primarias de litio tienen poca seguridad y riesgo de explosión.
2． Las baterías de iones de litio basadas en óxido de litio y cobalto no se pueden descargar con corrientes elevadas, son caras y poco seguras.
3． Todas las baterías de iones de litio necesitan circuitos de protección para evitar que la batería se sobrecargue o descargue.
4. Los requisitos de producción son altos y el costo es alto.
5. Las condiciones de uso son limitadas y el uso a altas y bajas temperaturas es peligroso.