Batería de polímero de litio
Batería de iones de litio que utiliza un electrolito de polímero
Batería de polímero de litio
Una batería de polímero de litio utilizada para alimentar un teléfono inteligente.
Energía específica100–265 Wh / kg (0,36–0,95 MJ/kg) [1]
Densidad de energía250–670 Wh / L (0,90–2,63 MJ/L) [1]

Una batería de polímero de litio , o más correctamente, batería de polímero de iones de litio (abreviada como LiPo , LIP , Li-poly , litio-poly y otras), es una batería recargable de tecnología de iones de litio que utiliza un electrolito de polímero en lugar de un electrolito líquido. Los polímeros semisólidos ( gel ) altamente conductores forman este electrolito. Estas baterías proporcionan una energía específica más alta que otros tipos de baterías de litio. Se utilizan en aplicaciones donde el peso es crítico, como dispositivos móviles , aviones radiocontrolados y algunos vehículos eléctricos . [2]

Historia

Las células de polímero de litio siguen la historia de las células de iones de litio y de metal de litio , que fueron objeto de una amplia investigación durante la década de 1980, alcanzando un hito significativo con la primera célula de iones de litio cilíndrica comercial de Sony en 1991. Después de eso, evolucionaron otras formas de empaquetado, incluido el formato de bolsa plana. [3]

Origen y terminología del diseño

Las células de polímero de litio son el resultado de la evolución de las baterías de iones de litio y de las baterías de metal de litio. La principal diferencia es que, en lugar de utilizar un electrolito de sal de litio líquido (como el hexafluorofosfato de litio , LiPF6 ) contenido en un disolvente orgánico (como EC / DMC / DEC ), la batería utiliza un electrolito de polímero sólido (SPE), como el polietilenglicol (PEG), el poliacrilonitrilo (PAN), el poli(metacrilato de metilo) (PMMA) o el poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF).

En la década de 1970, el diseño de polímero original utilizaba un electrolito de polímero seco sólido que se parecía a una película de plástico, reemplazando el separador poroso tradicional empapado en electrolito.

El electrolito sólido se puede clasificar típicamente en tres tipos: SPE seco, SPE gelificado y SPE poroso. El SPE seco fue el primero en usarse en prototipos de baterías, alrededor de 1978 por Michel Armand [ 4] [5] y en 1985 por ANVAR y Elf Aquitaine de Francia, e Hydro-Québec de Canadá. [6] Desde 1990, varias organizaciones, como Mead y Valence en los Estados Unidos y GS Yuasa en Japón, han desarrollado baterías que utilizan SPE gelificados. [6] En 1996, Bellcore en los Estados Unidos anunció una celda de polímero de litio recargable que utiliza SPE poroso. [6]

Una celda típica tiene cuatro componentes principales: un electrodo positivo , un electrodo negativo, un separador y un electrolito . El separador en sí puede ser un polímero , como una película microporosa de polietileno (PE) o polipropileno (PP); por lo tanto, incluso cuando la celda tiene un electrolito líquido, todavía contendrá un componente "polímero". Además de esto, el electrodo positivo se puede dividir en tres partes: el óxido de metal de transición de litio (como LiCoO 2 o LiMn 2 O 4 ), un aditivo conductor y un aglutinante de polímero de poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF). [7] [8] El material del electrodo negativo puede tener las mismas tres partes, solo que el carbono reemplaza al óxido de metal de litio. [7] [8] La principal diferencia entre las celdas de polímero de iones de litio y las celdas de iones de litio es la fase física del electrolito, de modo que las celdas de LiPo usan electrolitos sólidos secos, similares a geles, mientras que las celdas de iones de litio usan electrolitos líquidos.

Principio de funcionamiento

Al igual que otras celdas de iones de litio, las LiPo funcionan mediante la intercalación y desintercalación de iones de litio de un material de electrodo positivo y otro de un material de electrodo negativo, y el electrolito líquido proporciona un medio conductor. Para evitar que los electrodos entren en contacto directo, se coloca un separador microporoso entre ellos, que permite que solo los iones, y no las partículas de los electrodos, migren de un lado al otro.

Voltaje y estado de carga

El voltaje de una sola celda de LiPo depende de su composición química y varía de aproximadamente 4,2 V (completamente cargada) a aproximadamente 2,7–3,0 V (completamente descargada). El voltaje nominal es de 3,6 o 3,7 voltios (aproximadamente el valor medio del valor más alto y más bajo) para celdas basadas en óxidos metálicos de litio (como LiCoO 2 ). Esto se compara con 3,6–3,8 V (cargadas) a 1,8–2,0 V (descargadas) para aquellas basadas en fosfato de hierro y litio (LiFePO 4 ).

Los voltajes nominales exactos deben especificarse en las hojas de datos del producto, con el entendimiento de que las celdas deben estar protegidas por un circuito electrónico que no permita que se sobrecarguen o descarguen excesivamente durante el uso.

Los paquetes de baterías de polímero de litio , con celdas conectadas en serie y en paralelo, tienen pines separados para cada celda. Un cargador especializado puede monitorear la carga por celda para que todas las celdas tengan el mismo estado de carga (SOC).

Aplicación de presión sobre celdas de polímero de litio

Una batería experimental de polímero de iones de litio fabricada por Lockheed Martin para la NASA

A diferencia de las celdas cilíndricas y prismáticas de iones de litio, con una carcasa metálica rígida, las celdas LiPo tienen una carcasa flexible de tipo lámina ( laminado de polímero ), por lo que están relativamente libres de restricciones. La presión moderada sobre la pila de capas que componen la celda da como resultado una mayor retención de capacidad, porque se maximiza el contacto entre los componentes y se evita la delaminación y la deformación, que se asocian con el aumento de la impedancia y la degradación de la celda. [9] [10]

Aplicaciones

Batería hexagonal de polímero de litio para vehículos submarinos

Las células LiPo ofrecen a los fabricantes ventajas muy interesantes, ya que permiten fabricar fácilmente baterías de casi cualquier forma deseada, lo que permite satisfacer, por ejemplo, los requisitos de espacio y peso de los dispositivos móviles y los ordenadores portátiles . Además, tienen una tasa de autodescarga baja, de aproximadamente el 5 % al mes. [11]

Drones, equipos radiocontrolados y aeronaves

Batería de LiPo de tres celdas para modelos RC

Las baterías de LiPo son hoy casi omnipresentes cuando se utilizan para alimentar drones comerciales y de aficionados ( vehículos aéreos no tripulados ), aviones teledirigidos , coches teledirigidos y trenes a escala a gran escala, donde las ventajas de un menor peso y una mayor capacidad y entrega de potencia justifican el precio. Los informes de pruebas advierten del riesgo de incendio cuando las baterías no se utilizan según las instrucciones. [12]

El voltaje para el almacenamiento a largo plazo de la batería de LiPo utilizada en el modelo R/C debe estar en el rango de 3,6 a 3,9 V por celda; de lo contrario, puede dañar la batería. [13]

Los paquetes de LiPo también se utilizan ampliamente en airsoft , donde sus corrientes de descarga más altas y su mejor densidad de energía que las baterías NiMH tradicionales tienen una ganancia de rendimiento muy notable (mayor velocidad de disparo).

Electrónica personal

Las baterías de polímero de litio (LiPo) son muy comunes en dispositivos móviles , baterías externas , computadoras portátiles muy delgadas , reproductores multimedia portátiles , controladores inalámbricos para consolas de videojuegos, periféricos inalámbricos para PC, cigarrillos electrónicos y otras aplicaciones donde se buscan formatos pequeños. La alta densidad de energía supera las consideraciones de costo.

Vehículos eléctricos

Hyundai Motor Company utiliza este tipo de batería en algunos de sus vehículos eléctricos e híbridos [14] y Kia Motors en su Kia Soul eléctrico de batería . [15] El Bolloré Bluecar , que se utiliza en programas de uso compartido de automóviles en varias ciudades, también utiliza este tipo de batería.

Sistemas de alimentación ininterrumpida

Las baterías de iones de litio son cada vez más comunes en los sistemas de suministro de energía ininterrumpida (UPS). Ofrecen numerosos beneficios en comparación con las baterías VRLA tradicionales y, con las mejoras en la estabilidad y la seguridad, la confianza en la tecnología está creciendo. Su relación potencia-tamaño y peso se considera un beneficio importante en muchas industrias que requieren respaldo de energía crítico, incluidos los centros de datos donde el espacio suele ser un bien escaso. [16] La vida útil más larga, la energía utilizable (profundidad de descarga) y el descontrol térmico también se consideran un beneficio del uso de baterías de Li-po en lugar de baterías VRLA.

Arrancador de batería

La batería que se utiliza para arrancar el motor de un vehículo suele ser de 12 V o 24 V, por lo que un arrancador portátil o un amplificador de batería utilizan tres o seis baterías de LiPo en serie (3S1P/6S1P) para arrancar el vehículo en caso de emergencia en lugar de otros métodos de arranque . El precio de un arrancador de plomo-ácido es menor, pero son más grandes y más pesados ​​que las baterías de litio comparables. Por ello, estos productos han pasado en su mayoría a utilizar baterías de LiPo o, en ocasiones, baterías de fosfato de hierro y litio.

Seguridad

La batería de iones de litio del iPhone 3GS de Apple , que se ha expandido debido a un fallo de cortocircuito

Todas las celdas de iones de litio se expanden a niveles altos de estado de carga (SOC) o sobrecarga debido a una ligera vaporización del electrolito. Esto puede provocar delaminación y, por lo tanto, un mal contacto con las capas internas de la celda, lo que a su vez disminuye la confiabilidad y la vida útil general. [9] Esto es muy notorio en el caso de las baterías de polímero de litio, que pueden inflarse visiblemente debido a la falta de una carcasa rígida para contener su expansión. Las características de seguridad de las baterías de polímero de litio difieren de las de las baterías de fosfato de hierro y litio .

Electrolitos poliméricos

Los electrolitos poliméricos se pueden dividir en dos grandes categorías: electrolitos poliméricos sólidos secos (SPE) y electrolitos poliméricos en gel (GPE). [17] En comparación con los electrolitos líquidos y los electrolitos orgánicos sólidos, los electrolitos poliméricos ofrecen ventajas como mayor resistencia a las variaciones en el volumen de los electrodos durante los procesos de carga y descarga, características de seguridad mejoradas, excelente flexibilidad y procesabilidad.

El electrolito de polímero sólido se definió inicialmente como una matriz de polímero hinchada con sales de litio, ahora llamada electrolito de polímero sólido seco. [17] Las sales de litio se disuelven en la matriz de polímero para proporcionar conductividad iónica. Debido a su fase física, hay una mala transferencia de iones, lo que resulta en una mala conductividad a temperatura ambiente. Para mejorar la conductividad iónica a temperatura ambiente, se agrega un electrolito gelificado que da como resultado la formación de GPE. Los GPE se forman incorporando un electrolito líquido orgánico en la matriz de polímero. El electrolito líquido está atrapado por una pequeña cantidad de red de polímero, por lo tanto, las propiedades de los GPE se caracterizan por propiedades entre las de los electrolitos líquidos y sólidos. [18] El mecanismo de conducción es similar para los electrolitos líquidos y los geles de polímero, pero los GPE tienen una mayor estabilidad térmica y una naturaleza poco volátil que también contribuye aún más a la seguridad. [19]

Esquema de una batería de polímero de litio basada en GPE [20]

Celdas de litio con electrolito de polímero sólido

Las celdas con electrolitos de polímero sólido no se han comercializado completamente [21] y aún son un tema de investigación. [22] Las celdas prototipo de este tipo podrían considerarse intermedias entre una batería de iones de litio tradicional (con electrolito líquido) y una batería de iones de litio de estado sólido completamente plástica . [23]

El enfoque más simple es utilizar una matriz de polímero, como fluoruro de polivinilideno (PVdF) o poli(acrilonitrilo) (PAN), gelificado con sales y solventes convencionales, como LiPF 6 en EC / DMC / DEC .

Nishi menciona que Sony comenzó a investigar sobre celdas de iones de litio con electrolitos de polímero gelificados (GPE) en 1988, antes de la comercialización de la celda de iones de litio con electrolito líquido en 1991. [24] En ese momento, las baterías de polímero eran prometedoras y parecía que los electrolitos de polímero se volverían indispensables. [25] Finalmente, este tipo de celda salió al mercado en 1998. [24] Sin embargo, Scrosati sostiene que, en el sentido más estricto, las membranas gelificadas no pueden clasificarse como electrolitos de polímero "verdaderos", sino más bien como sistemas híbridos donde las fases líquidas están contenidas dentro de la matriz de polímero. [23] Aunque estos electrolitos de polímero pueden estar secos al tacto, aún pueden incluir entre un 30% y un 50% de solvente líquido. [26] En este sentido, cómo definir una "batería de polímero" sigue siendo una pregunta abierta.

Otros términos utilizados en la literatura para este sistema incluyen electrolito de polímero híbrido (HPE), donde "híbrido" denota la combinación de la matriz de polímero, el solvente líquido y la sal. [27] Fue un sistema como este el que Bellcore utilizó para desarrollar una celda de polímero de litio temprana en 1996, [28] que se denominó celda de iones de litio "plástica" (PLiON) y posteriormente se comercializó en 1999. [27]

Un electrolito polimérico sólido (SPE) es una solución de sal sin disolventes en un medio polimérico. Puede ser, por ejemplo, un compuesto de bis(fluorosulfonil)imida de litio (LiFSI) y poli(óxido de etileno) (PEO) de alto peso molecular, [29] un poli(carbonato de trimetileno) (PTMC) de alto peso molecular , [30] óxido de polipropileno (PPO), poli[bis(metoxi- etoxi -etoxi)fosfaceno] (MEEP), etc.

El PEO muestra el rendimiento más prometedor como solvente sólido para sales de litio, principalmente debido a sus segmentos flexibles de óxido de etileno y otros átomos de oxígeno que comprenden un fuerte carácter donante, solvatando fácilmente los cationes Li + . El PEO también está disponible comercialmente a un costo muy razonable. [17]

El rendimiento de estos electrolitos propuestos se mide habitualmente en una configuración de media celda frente a un electrodo de litio metálico , lo que convierte al sistema en una celda de " litio-metal ". No obstante, también se ha probado con un material de cátodo de iones de litio común, como el fosfato de hierro y litio (LiFePO 4 ).

Otros intentos de diseñar una celda de electrolito de polímero incluyen el uso de líquidos iónicos inorgánicos como el tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazolio ([BMIM]BF 4 ) como plastificante en una matriz de polímero microporosa como poli(fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno)/poli(metacrilato de metilo) (PVDF-HFP/PMMA). [31]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab «Batería de iones de litio». Clean Energy Institute . Consultado el 6 de enero de 2022 .
  2. ^ Bruno Scrosati, KM Abraham, Walter A. van Schalkwijk, Jusef Hassoun (ed), Baterías de litio: tecnologías y aplicaciones avanzadas , John Wiley & Sons, 2013 ISBN 1118615395 , página 44 
  3. ^ "Configuraciones de baterías de litio y tipos de celdas de litio". Power Sonic . 25 de marzo de 2021 . Consultado el 14 de octubre de 2021 .
  4. ^ MB Armand; JM Chabagno; M. Duclot (20-22 de septiembre de 1978). "Resúmenes ampliados". Segunda reunión internacional sobre electrolitos sólidos . St. Andrews, Escocia.{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )
  5. ^ MB Armand, JM Chabagno y M. Duclot (1979). "Poliéteres como electrolitos sólidos". En P. Vashitshta; JN Mundy y GK Shenoy (eds.). Transporte rápido de iones en sólidos. Electrodos y electrolitos . North Holland Publishers, Ámsterdam.
  6. ^ abc Murata, Kazuo; Izuchi, Shûichi; Yoshihisa, Youetsu (3 de enero de 2000). "Una descripción general de la investigación y el desarrollo de baterías de electrolitos de polímero sólido". Acta electroquímica . 45 (8–9): 1501–1508. doi :10.1016/S0013-4686(99)00365-5.
  7. ^ ab Yazami, Rachid (2009). "Capítulo 5: Termodinámica de materiales de electrodos para baterías de iones de litio". En Ozawa, Kazunori (ed.). Baterías recargables de iones de litio . Wiley-Vch Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN 978-3-527-31983-1.
  8. ^ ab Nagai, Aisaku (2009). "Capítulo 6: Aplicaciones de materiales relacionados con el fluoruro de polivinilideno para baterías de iones de litio". En Yoshio, Masaki; Brodd, Ralph J.; Kozawa, Akiya (eds.). Baterías de iones de litio . Springer. Bibcode :2009liba.book.....Y. doi :10.1007/978-0-387-34445-4. ISBN 978-0-387-34444-7.
  9. ^ ab Vetter, J.; Novák, P.; Wagner, MR; Veit, C. (9 de septiembre de 2005). "Mecanismos de envejecimiento en baterías de iones de litio". Journal of Power Sources . 147 (1–2): 269–281. Bibcode :2005JPS...147..269V. doi :10.1016/j.jpowsour.2005.01.006.
  10. ^ Cannarella, John; Arnold, Craig B. (1 de enero de 2014). "Evolución de la tensión y disminución de la capacidad en celdas de bolsa de iones de litio con restricciones". Journal of Power Sources . 245 : 745–751. Bibcode :2014JPS...245..745C. doi :10.1016/j.jpowsour.2013.06.165.
  11. ^ "Tecnología de baterías de polímero de litio" (PDF) . Consultado el 14 de marzo de 2016 .
  12. ^ Dunn, Terry (5 de marzo de 2015). "Battery Guide: The Basics of Lithium-Polymer Batteries" (Guía de baterías: conceptos básicos de las baterías de polímero de litio). Probado . Whalerock Industries. Archivado del original el 16 de marzo de 2017. Consultado el 15 de marzo de 2017. Todavía no he oído hablar de una batería de polímero de litio que se haya incendiado durante el almacenamiento. Todos los incidentes de incendio de los que tengo conocimiento ocurrieron durante la carga o descarga de la batería. De esos casos, la mayoría de los problemas ocurrieron durante la carga. De esos casos, la falla generalmente recaía en el cargador o en la persona que lo operaba... pero no siempre.
  13. ^ "GUÍA SOBRE BATERÍAS LIPO PARA ENTENDERLAS" . Consultado el 3 de septiembre de 2021 .
  14. ^ Brown, Warren (3 de noviembre de 2011). "Hyundai Sonata Hybrid 2011: Hi, tech. Bye, performance". Washington Post . Consultado el 25 de noviembre de 2011 .
  15. ^ "Sostenibilidad | Sitio web global de la marca Kia".
  16. ^ "Litio-ion vs. litio-hierro: ¿cuál es el más adecuado para un sistema UPS?"
  17. ^ abc Mater, J (2016). "Electrolitos poliméricos para baterías de polímero de litio". Journal of Materials Chemistry A . 4 (26): 10038–10069. doi :10.1039/C6TA02621D – vía Royal Society of Chemistry.
  18. ^ Cho, Yoon‐Gyo; Hwang, Chihyun; Cheong, Do Sol; Kim, Young‐Soo; Song, Hyun‐Kon (mayo de 2019). "Electrolitos de polímero en gel: electrolitos de polímero en gel/sólido caracterizados por gelificación o polimerización in situ para sistemas de energía electroquímica (Adv. Mater. 20/2019)". Materiales avanzados . 31 (20): 1970144. Bibcode :2019AdM....3170144C. doi : 10.1002/adma.201970144 . ISSN  0935-9648.
  19. ^ Naskar, Anway; Ghosh, Arkajit; Roy, Avinava; Chattopadhyay, Kinnor; Ghosh, Manojit (2022), "Electrolito compuesto de polímero y cerámica para baterías de iones de litio", Enciclopedia de materiales: plásticos y polímeros , Elsevier, págs. 1031–1039, doi :10.1016/b978-0-12-820352-1.00123-1, ISBN 9780128232910, S2CID  241881975 , consultado el 22 de noviembre de 2022
  20. ^ Hoang Huy, Vo Pham; So, Seongjoon; Hur, Jaehyun (1 de marzo de 2021). "Rellenos inorgánicos en electrolitos de polímeros de gel compuestos para baterías de polímeros de litio y no litio de alto rendimiento". Nanomateriales . 11 (3): 614. doi : 10.3390/nano11030614 . ISSN  2079-4991. PMC 8001111 . PMID  33804462. 
  21. ^ Blain, Loz (27 de noviembre de 2019). «Un avance en las baterías de estado sólido podría duplicar la densidad de las celdas de iones de litio». New Atlas . Gizmag . Consultado el 6 de diciembre de 2019 .
  22. ^ Wang, Xiaoen; Chen, Fangfang; Girard, Gaetan MA; Zhu, Haijin; MacFarlane, Douglas R.; Mecerreyes, David; Armand, Michel; Howlett, Patrick C.; Forsyth, María (noviembre de 2019). "Electrolitos de poli(líquido iónico) en sal con transporte de iones de litio asistido por coordinación para baterías seguras". Julio . 3 (11): 2687–2702. doi : 10.1016/j.joule.2019.07.008 .
  23. ^ ab Scrosati, Bruno (2002). "Capítulo 8: Electrolitos de polímero de litio". En van Schalkwijk, Walter A.; Scrosati, Bruno (eds.). Avances en baterías de iones de litio . Editores académicos de Kluwer. ISBN 0-306-47356-9.
  24. ^ ab Yoshio, Masaki; Brodd, Ralph J.; Kozawa, Akiya, eds. (2009). Baterías de iones de litio . Saltador. Código Bib : 2009liba.book.....Y. doi :10.1007/978-0-387-34445-4. ISBN 978-0-387-34444-7.
  25. ^ Nishi, Yoshio (2002). "Capítulo 7: Baterías secundarias de iones de litio con electrolitos de polímero gelificado". En van Schalkwijk, Walter A.; Scrosati, Bruno (eds.). Avances en baterías de iones de litio . Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-306-47356-9.
  26. ^ Brodd, Ralf J. (2002). "Capítulo 9: Procesos de producción de células de iones de litio". En van Schalkwijk, Walter A.; Scrosati, Bruno (eds.). Avances en baterías de iones de litio . Editores académicos de Kluwer. ISBN 0-306-47356-9.
  27. ^ ab Tarascon, Jean-Marie ; Armand, Michele (2001). "Cuestiones y desafíos que enfrentan las baterías de litio recargables". Nature . 414 (6861): 359–367. Bibcode :2001Natur.414..359T. doi :10.1038/35104644. PMID  11713543. S2CID  2468398.
  28. ^ Tarascon, J.-M. ; Gozdz, AS; Schmutz, C.; Shokoohi, F.; Warren, PC (julio de 1996). "Rendimiento de las baterías recargables de iones de litio de plástico de Bellcore". Solid State Ionics . 86–88 (Parte 1). Elsevier: 49–54. doi :10.1016/0167-2738(96)00330-X.
  29. ^ Zhang, Heng; Liu, Chengyong; Zheng, Liping (1 de julio de 2014). "Electrolito de polímero de bis(fluorosulfonil)imida de litio/poli(óxido de etileno)". Electrochimica Acta . 133 : 529–538. doi :10.1016/j.electacta.2014.04.099.
  30. ^ Sun, Bing; Mindemark, Jonas; Edström, Kristina ; Brandell, Daniel (1 de septiembre de 2014). "Electrolitos de polímeros sólidos basados ​​en policarbonato para baterías de iones de litio". Solid State Ionics . 262 : 738–742. doi :10.1016/j.ssi.2013.08.014.
  31. ^ Zhai, Wei; Zhu, Hua-jun; Wang, Long (1 de julio de 2014). "Estudio de electrolito de polímero en gel microporoso mezclado con PVDF-HFP/PMMA que incorpora líquido iónico [BMIM]BF 4 para baterías de iones de litio". Electrochimica Acta . 133 : 623–630. doi :10.1016/j.electacta.2014.04.076.
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Baterías de polímero de litio .
  • Electropedia sobre la fabricación de baterías de litio
  • Electropedia sobre fallas en baterías de litio

Recuperado de "https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Batería_de_polímero_de_litio&oldid=1237748651"