Los 3 principales avances en baterías de litio de baja temperatura

Introducción a las necesidades de las baterías de litio de baja temperatura

A medida que la tecnología avanza rápidamente, la demanda de baterías de litio de baja y ultrabaja temperatura se vuelve cada vez más crítica en entornos hostiles como mesetas de gran altitud, océanos profundos, regiones polares y zonas de frío extremo como el espacio exterior. Las baterías de litio tradicionales son inadecuadas para el almacenamiento y la liberación de energía en estas condiciones de temperatura extremas.

La eliminación gradual de los subsidios para vehículos de nueva energía y la construcción acelerada de estaciones base de almacenamiento 5G por parte de los principales operadores de telecomunicaciones han impulsado significativamente la demanda de baterías de iones de litio de baja temperatura y rentables. En 2021, las instalaciones de baterías de energía doméstica alcanzaron los 159,6 GWh. Sin embargo, en las regiones del norte con condiciones invernales extremas, la autonomía de los vehículos de nueva energía se ve gravemente afectada. Por lo tanto, los países en desarrollo... baterías de litio de baja temperatura La idoneidad para entornos fríos es crucial. Para las estaciones base 5G, las baterías de fosfato de hierro y litio de baja temperatura han ganado reconocimiento en la industria por su decisiva ventaja competitiva, ya que la industria está inevitablemente en transición de las baterías de plomo-ácido a las baterías de fosfato de hierro y litio para la energía de respaldo de las torres de señales de comunicación.

La temperatura afecta los procesos de transferencia de masa y carga en las baterías de iones de litio durante la carga y la descarga. A bajas temperaturas, la cinética reducida de los iones de litio es el factor más crítico que afecta su rendimiento electroquímico. La conductividad iónica del electrolito disminuye, lo que dificulta la solvatación/desolvatación de los iones de litio, reduciendo significativamente su velocidad de migración dentro del material activo del electrodo y en la interfaz sólido-líquido. Estos factores provocan una grave degradación del rendimiento de la batería. Además, la superficie del ánodo es propensa al recubrimiento de litio y al crecimiento de dendritas, lo que provoca fallos en la batería y riesgos de seguridad. Para abordar estos problemas, los investigadores han mejorado el rendimiento de las baterías de litio a baja temperatura modificando los materiales del cátodo y el ánodo, ajustando los componentes del electrolito y las estructuras de los disolventes, y diseñando sistemas de gestión térmica de baterías (BTMS) eficaces, lo que las hace adecuadas para entornos hostiles de baja temperatura.

Estado actual de la investigación sobre baterías de litio de baja temperatura

1.1 Modificación de los materiales del cátodo

A bajas temperaturas, las principales razones de la disminución de la capacidad de los materiales del cátodo incluyen una menor conductividad electrónica, tasas de migración de iones de litio más bajas y una cinética de intercalación/desintercalación más lenta en comparación con la temperatura ambiente. Es posible mejorar significativamente el rendimiento de los iones de litio a bajas temperaturas modificando los materiales del cátodo mediante estrategias como el dopaje iónico en masa o en superficie para mejorar la tasa de migración o la conductividad electrónica; el uso de nanomateriales de carbono para formar estructuras conductoras multidimensionales; la modificación con conductores iónicos para aumentar la conductividad electrónica e iónica; y la optimización de la estructura cristalina para acortar la distancia de difusión interna de los iones de litio y, por lo tanto, mejorar la cinética de intercalación y desintercalación.

1.2 Modificación de los materiales del ánodo

A bajas temperaturas, los materiales anódicos experimentan una menor tasa de migración de iones de litio, lo que dificulta su desolvatación, aumenta la impedancia de transferencia electroquímica y disminuye su capacidad de intercalación, lo que provoca la polarización de los electrodos. El litio no intercalado tiende a depositarse en el ánodo, lo que agrava aún más el crecimiento de dendritas de litio, el engrosamiento de la película SEI y la desecación del electrolito, lo que en última instancia reduce la capacidad y el rendimiento cíclico de la batería de iones de litio. El grafito se utiliza principalmente como material anódico, pero también se emplean materiales con alta meseta de carga y voltaje de corte, como el Li₄Ti₃O₄ y el carbono duro, para evitar la depositación de litio a bajas temperaturas. Los investigadores mejoran el rendimiento de las baterías de iones de litio a baja temperatura principalmente mediante el dopaje, la preparación de electrodos nanocompuestos (incluyendo la adición de materiales de nanocarbono, nanomateriales con recubrimiento de carbono y otros electrodos nanocompuestos), la modificación de electrodos de grafito y el desarrollo de nuevos materiales anódicos.

1.3 Composición del electrolito y ajuste de la estructura del disolvente

El electrolito influye en la movilidad de los iones de litio y participa en la formación de la capa de interfaz electrolítica sólida (IES), crucial para el rendimiento electroquímico de una batería a bajas temperaturas. La viscosidad y el grado de solvatación influyen significativamente en la movilidad de los iones de litio. Los electrolitos en baterías de litio de baja temperatura deben poseer alta conductividad iónica y baja viscosidad, manteniendo al mismo tiempo la estabilidad necesaria a baja temperatura. Los carbonatos cíclicos, como el carbonato de etileno (EC), son ventajosos para formar una capa de IES estable, pero presentan una viscosidad y puntos de fusión más altos. La adición de carbonatos lineales, ésteres o éteres con menor viscosidad y puntos de fusión mediante una estrategia de codisolventes ayuda a mantener el electrolito en estado líquido a bajas temperaturas. Sin embargo, es crucial equilibrar el punto de inflamación reducido de los electrolitos después de añadir carbonatos lineales de baja viscosidad para garantizar la estabilidad térmica. Los electrolitos de alta concentración son preferibles a pesar de su menor conductividad iónica y mayor viscosidad, debido a su menor impedancia de transferencia de carga, mejor rendimiento y mejores capacidades a baja temperatura.

2. Investigación y desarrollo de nuevos sistemas de baterías de litio de baja temperatura

Si bien se han logrado avances en el rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio, la investigación innovadora sobre nuevos sistemas de baterías de litio de baja temperatura ha sido relativamente escasa. Los conductores superiónicos, conocidos por su excelente conductividad iónica, pueden mejorar eficazmente la tasa de migración de iones de litio, lo que ofrece nuevas perspectivas para optimizar el rendimiento a baja temperatura de las baterías de litio.

En 2011, el grupo de investigación Kamaya en Japón desarrolló un nuevo tipo de material conductor superiónico de sulfuro inorgánico, Li10GeP₂S₁₂, que presenta una conductividad ultraalta. Presenta un voltaje de descomposición superior a 5 V y una conductividad de iones de litio de 12 mS/cm a temperatura ambiente (27 °C), rivalizando e incluso superando a los electrolitos líquidos orgánicos tradicionales. Sorprendentemente, incluso a -40 °C, su conductividad iónica puede alcanzar 0,41 mS/cm, lo que la convierte en la mejor conductividad entre los conductores superiónicos, especialmente a baja temperatura, donde su rendimiento supera con creces al de los electrolitos orgánicos.

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