La investigación en baterías de iones de litio ha producido muchas propuestas de perfeccionamiento de las baterías de iones de litio . Las áreas de interés de investigación se han centrado en mejorar la densidad de energía , la seguridad, la capacidad de velocidad, la durabilidad del ciclo, la flexibilidad y el costo.
La inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML) se están volviendo populares en muchos campos, incluido su uso para la investigación de baterías de iones de litio. Estos métodos se han utilizado en todos los aspectos de la investigación de baterías, incluidos los materiales, la fabricación, la caracterización y el pronóstico/diagnóstico de las baterías. [1]
Los materiales que se tienen en cuenta para el ánodo de la batería de iones de litio (LIB) de próxima generación comparten características comunes como bajo costo, alta capacidad teórica específica y buena conductividad eléctrica, etc. Los materiales a base de carbono y silicio han demostrado ser prometedores. Materiales para el ánodo. Sin embargo, además de las características deseadas de algunos de los materiales, también se han mostrado una serie de debilidades. Por ejemplo, aunque el silicio tiene una capacidad específica teórica 10 veces mayor que la del grafito, tiene una baja conductividad eléctrica intrínseca. La investigación actual se centra en la ingeniería de materiales para conservar sus características y tener en cuenta sus debilidades. [2] [3]
Los ánodos de las baterías de iones de litio suelen estar hechos de grafito . Los ánodos de grafito están limitados a una capacidad teórica de 372 mAh/g para su estado completamente litiado. [4] En este momento, se han propuesto y evaluado otros tipos importantes de materiales de ánodo de baterías de iones de litio como alternativas al grafito, especialmente en los casos en que las aplicaciones específicas requieren enfoques novedosos.
El grupo de investigación del Dr. Leon Shaw del Instituto de Tecnología de Illinois ha desarrollado los microrreactores Si@void@C que muestran resultados de pruebas excepcionales para ser ánodos de LIB. El proceso de creación de microrreactores Si@void@C comienza con la producción de partículas de silicio nanoestructuradas mediante un proceso de molienda de bolas de alta energía con polvo de silicio del tamaño de una micra. Las partículas de Si nanoestructuradas luego se encapsulan con carbono mediante la carbonización de un precursor de carbono que contiene un elemento nitrógeno. Finalmente, las partículas se graban con NaOH para crear huecos con morfología de nanocanales dentro del núcleo de Si para formar los microrreactores Si@void@C. [5]
Las pruebas de los microrreactores Si@void@C demostraron una alta eficiencia coulómbica del 91 % durante el primer proceso de litiación, que es significativamente mayor que la de otros ánodos de silicio reportados. [6] [7] El diseño también permitió una alta eficiencia coulómbica del 100% después de 5 ciclos, lo que indica que no se forma una capa SEI discernible más allá de 5 ciclos. Además, la capacidad específica aumentó en ciclos posteriores debido a la activación de más material de electrodo, lo que sugiere una sólida estabilidad electroquímica. [8] [9]
Se probó que el electrodo Si@void@C(N) era capaz de realizar una carga ultrarrápida y una durabilidad de más de 1000 ciclos; la capacidad específica mantuvo niveles altos (~800 mAh g −1 ) incluso con densidades de corriente muy altas (hasta 8 A g −1 ). No se observó revestimiento de litio para el electrodo Si@void@C(N) incluso después de 1000 ciclos a 8 Ag −1 , lo que indica su capacidad para una carga ultrarrápida sin comprometer la seguridad y la retención de capacidad.
Varios tipos de óxidos y sulfuros metálicos pueden intercalar reversiblemente cationes de litio a voltajes entre 1 y 2 V contra litio metálico con poca diferencia entre los pasos de carga y descarga. Específicamente, el mecanismo de inserción implica que los cationes de litio llenen las vacantes cristalográficas en la red del huésped con cambios mínimos en el enlace dentro de la red del huésped. Esto diferencia los ánodos de intercalación de los ánodos de conversión que almacenan litio mediante disrupción completa y formación de fases alternas, generalmente como litia . Los sistemas de conversión suelen ser desproporcionados con respecto a la litia y un metal (u óxido metálico inferior) a voltajes bajos, < 1 V frente a Li, y reforman el óxido metálico a un voltaje > 2 V, por ejemplo, CoO + 2Li -> Co+Li 2 O.
En 1984, investigadores de los Laboratorios Bell informaron sobre la síntesis y evaluación de una serie de titanatos litiados. De interés específico fueron la forma anatasa del dióxido de titanio y la espinela de litio LiTi 2 O 4 [10]. Se ha observado que la anatasa tiene una capacidad máxima de 150 mAh/g (0,5 Li/Ti), con capacidad limitada por la disponibilidad de material cristalográfico. vacantes en el marco. También se ha evaluado la brookita politipo TiO 2 y se ha descubierto que es electroquímicamente activa cuando se produce como nanopartículas con una capacidad de aproximadamente la mitad que la de la anatasa (0,25 Li/Ti). En 2014, investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang utilizaron materiales derivados de un gel de dióxido de titanio derivado de partículas de dióxido de titanio naturalmente esféricas en nanotubos [11] . Además, un titanato electroquímicamente activo no natural denominado TiO 2 (B) puede ser realizado mediante intercambio iónico seguido de deshidratación del titanato de potasio K 2 Ti 4 O 9 . [12] Este óxido en capas se puede producir en múltiples formas, incluidos nanocables, nanotubos o partículas oblongas con una capacidad observada de 210 mAh/g en la ventana de voltaje de 1,5 a 2,0 V (frente al Li).
En 2011, Lu et al. informaron actividad electroquímica reversible en el niobato poroso KNb 5 O 13 . [13] Este material insertó aproximadamente 3,5 Li por unidad de fórmula (aproximadamente 125 mAh/g) a un voltaje cercano a 1,3 V (frente al Li). Este voltaje más bajo (en comparación con los titantes) es útil en sistemas donde es deseable una mayor densidad de energía sin una formación significativa de SEI, ya que opera por encima del voltaje de ruptura típico del electrolito. Han, Huang y John B. Goodenough informaron en 2011 de un niobato de titanio de alta tasa (TiNb 2 O 7 ) con un voltaje promedio cercano a 1,3 V (frente al Li). [14]
En 2000, investigadores de la Universidad de Picardie Jules Verne examinaron el uso de óxidos de metales de transición de tamaño nanométrico como materiales de ánodo de conversión. Los metales utilizados fueron cobalto, níquel, cobre y hierro, que demostraron tener capacidades de 700 mAh/g y mantener su capacidad total durante 100 ciclos. Los materiales funcionan mediante la reducción del catión metálico a nanopartículas metálicas o a un óxido de menor estado de oxidación. Estos prometedores resultados muestran que los óxidos de metales de transición pueden ser útiles para garantizar la integridad de la batería de iones de litio durante muchos ciclos de descarga y recarga. [15]
Los ánodos de litio se utilizaron en los años 60 para las primeras baterías de iones de litio, basadas en el TiS.
2/ Química de las celdas de Li, pero finalmente fueron reemplazadas debido a la formación de dendritas que causaron cortocircuitos internos y representaron un riesgo de incendio. [16] [17] Los esfuerzos continuaron en áreas que requerían litio, incluidos cátodos cargados como dióxido de manganeso , pentóxido de vanadio u óxido de molibdeno y algunos diseños de celdas basadas en electrolitos poliméricos . El interés en los ánodos de metal de litio se restableció con el creciente interés en los sistemas de baterías de litio-aire y baterías de litio-azufre de alta capacidad .
La investigación para inhibir la formación de dendritas ha sido un área activa. Doron Aurbach y sus colaboradores de la Universidad Bar-Ilan han estudiado exhaustivamente el papel del disolvente y la sal en la formación de películas sobre la superficie del litio. Las observaciones notables fueron la adición de sales de LiNO 3 , dioxolano y hexafluoroarsenato. Al parecer crearon películas que inhiben la formación de dendritas al tiempo que incorporan Li 3 As reducido como componente conductor de iones de litio. [18] [19]
En 2021, los investigadores anunciaron el uso de tiras delgadas de metal de litio (20 micrones ). Pudieron alcanzar una densidad de energía de 350 Wh/kg en 600 ciclos de carga/descarga. [20]
Se utilizan varias formas de carbono en las configuraciones de celdas de baterías de iones de litio. Además del grafito, en las células se utilizan tipos de carbono poco activos o no electroquímicamente activos, como CNT, negro de humo, grafeno , óxidos de grafeno o MWCNT.
Un trabajo reciente incluye esfuerzos realizados en 2014 por investigadores de la Universidad Northwestern que descubrieron que los nanotubos de carbono metálicos de pared simple (SWCNT) acomodan el litio de manera mucho más eficiente que sus contrapartes semiconductoras. Si se hacen más densas, las películas SWCNT semiconductoras absorben litio en niveles comparables a los SWCNT metálicos. [21]
Se demostró que el tratamiento con hidrógeno de electrodos de nanoespuma de grafeno en LIB mejora su capacidad y propiedades de transporte. Los métodos de síntesis química utilizados en la fabricación de ánodos estándar dejan cantidades significativas de hidrógeno atómico . Los experimentos y los cálculos multiescala revelaron que el tratamiento con hidrógeno a baja temperatura del grafeno rico en defectos puede mejorar la capacidad de velocidad. El hidrógeno interactúa con los defectos del grafeno para abrir huecos que faciliten la penetración del litio, mejorando el transporte. La capacidad reversible adicional se obtiene gracias a la unión mejorada del litio cerca de los bordes, donde es más probable que se una el hidrógeno. [22] Las capacidades de velocidad aumentaron entre un 17% y un 43% a 200 mA/g. [23] En 2015, investigadores en China utilizaron grafeno poroso como material para el ánodo de una batería de iones de litio con el fin de aumentar la capacidad específica y la energía de unión entre los átomos de litio en el ánodo. Las propiedades de la batería se pueden ajustar aplicando tensión. La energía de enlace aumenta a medida que se aplica la tensión biaxial. [24]
El silicio es un elemento abundante en la tierra y su refinamiento hasta alcanzar una alta pureza es bastante económico. Cuando se alea con litio , tiene una capacidad teórica de ~3600 miliamperios hora por gramo (mAh/g), que es casi 10 veces la densidad de energía de los electrodos de grafito , que exhiben una capacidad máxima de 372 mAh/g para su estado completamente litiado. LiC 6 . [4] Uno de los rasgos inherentes del silicio, a diferencia del carbono, es la expansión de la estructura reticular hasta en un 400% tras la litiación (carga) completa. Para los electrodos en masa, esto provoca grandes gradientes de tensión estructural dentro del material en expansión, lo que inevitablemente conduce a fracturas y fallas mecánicas, lo que limita significativamente la vida útil de los ánodos de silicio. [25] [26] En 2011, un grupo de investigadores reunió tablas de datos que resumían la morfología, la composición y el método de preparación de esos ánodos de silicio nanoestructurados y a nanoescala, junto con su rendimiento electroquímico. [27]
Las nanopartículas de silicio porosas son más reactivas que los materiales de silicio a granel y tienden a tener un mayor porcentaje en peso de sílice como resultado de su menor tamaño. Los materiales porosos permiten la expansión del volumen interno para ayudar a controlar la expansión general de los materiales. Los métodos incluyen un ánodo de silicio con una densidad de energía superior a 1100 mAh/g y una durabilidad de 600 ciclos que utiliza partículas de silicio porosas mediante molienda de bolas y grabado con manchas. [28] En 2013, los investigadores desarrollaron una batería hecha de nanopartículas de silicio porosas . [29] [30] A continuación se muestran varias morfologías estructurales que intentaron superar el problema con las propiedades intrínsecas del silicio.
El principal obstáculo en la comercialización de silicio como material anódico para baterías de iones de litio son los mayores cambios volumétricos y la formación de SEI. Trabajos de investigación recientes han destacado las estrategias para la optimización y mantenimiento de la estabilidad estructural del electrodo. Otro aspecto que contribuye a la rápida degradación del ánodo es la interfaz sólido-electrolito (SEI). Durante la primera fase de inserción de litio, el SEI se forma en la superficie del electrodo y actúa como un impedimento masivo entre el electrodo y el electrolito. Debido a este bloqueo, se permite la conducción de iones de litio mientras funciona como aislante, lo que restringe la descomposición adicional de electrolitos y evita que el rendimiento del ciclo de la batería de iones de litio disminuya gradualmente. Todo, desde el rendimiento más fundamental de la batería hasta la eficacia general y la ciclabilidad del LIB, está influenciado por el tipo de SEI. [31] [32]
Como método para controlar la capacidad del silicio completamente litiado para expandirse y aislarse electrónicamente, en 2016 se informó sobre un método para enjaular partículas de silicio de 3 nm de diámetro en una capa de grafeno. Las partículas se recubrieron primero con níquel . Luego, capas de grafeno cubrieron el metal. El ácido disolvió el níquel, dejando suficiente vacío dentro de la jaula para que el silicio se expandiera. Las partículas se rompieron en pedazos más pequeños, pero permanecieron funcionales dentro de las jaulas. [33] [34]
En 2014, los investigadores encapsularon nanopartículas de silicio dentro de capas de carbono y luego encapsularon grupos de capas con más carbono. Las carcasas proporcionan suficiente espacio en el interior para permitir que las nanopartículas se hinchen y encojan sin dañarlas, lo que mejora la durabilidad. [35]
En 2021, el grupo de Paul V.Braun de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign desarrolló un enfoque a gran escala y de bajo costo para sintetizar nanocables de Si/Cu. En primer lugar, se preparan microesferas ternarias de Si/Cu/Zn mediante un método de descarga eléctrica pulsada de manera escalable, y luego se eliminó parcialmente el Zn y el Si parcial de las microesferas mediante grabado químico para formar nanocables de Si/Cu. Esta tecnología utiliza materiales relativamente baratos y métodos de procesamiento flexibles, con un costo aproximado de $0,3 g-1, lo que promete aumentar el rendimiento de las aleaciones de Si NW a bajo costo. [36]
En 2012, Vaughey et al. informaron sobre una nueva estructura de electrodo totalmente inorgánico basada en partículas de silicio electroquímicamente activas unidas a un sustrato de cobre mediante un intermetálico de Cu 3 Si. [37] [38] Se depositaron nanopartículas de cobre sobre artículos de partículas de silicio, se secaron y se laminaron sobre una lámina de cobre. Después del recocido, las nanopartículas de cobre se recocieron entre sí y con el colector de corriente de cobre para producir un electrodo poroso con un aglutinante de cobre una vez que se quemó el aglutinante polimérico inicial. El diseño tenía un rendimiento similar al de los aglutinantes de polímeros para electrodos convencionales con una capacidad de velocidad excepcional debido a la naturaleza metálica de la estructura y las vías de corriente.
En 2015, se demostró que un electrodo prototipo que consta de nanofibras de silicio similares a esponjas aumenta la eficiencia de Coulombic y evita el daño físico de las expansiones/contracciones del silicio. Las nanofibras se crearon aplicando alto voltaje entre un tambor giratorio y una boquilla que emite una solución de ortosilicato de tetraetilo (TEOS). Luego, el material se expuso a vapores de magnesio . Las nanofibras contienen nanoporos de 10 nm de diámetro en su superficie. Junto con espacios adicionales en la red de fibra, estos permiten que el silicio se expanda sin dañar la celda. Otros tres factores reducen la expansión: una capa de dióxido de silicio de 1 nm; un segundo recubrimiento de carbono que crea una capa amortiguadora; y el tamaño de fibra de 8-25 nm, que está por debajo del tamaño en el que el silicio tiende a fracturarse. [39]
Las celdas de iones de litio convencionales utilizan aglutinantes para mantener unido el material activo y mantenerlo en contacto con los colectores de corriente. Estos materiales inactivos hacen que la batería sea más grande y pesada. Las baterías experimentales sin aglutinante no se escalan porque sus materiales activos sólo se pueden producir en pequeñas cantidades. El prototipo no necesita colectores de corriente, aglutinantes poliméricos ni aditivos en polvo conductores. El silicio constituye más del 80 por ciento del electrodo en peso. El electrodo entregó 802 mAh/g después de más de 600 ciclos, con una eficiencia Coulombic del 99,9 por ciento. [39]
Las fases de litio-estaño Zintl , descubiertas por Eduard Zintl , se han estudiado como materiales anódicos en sistemas de almacenamiento de energía de iones de litio durante varias décadas. Reportado por primera vez en 1981 por Robert Huggins , [40] el sistema tiene una curva de descarga multifásica y almacena aproximadamente 1000 mAh/g (Li 22 Sn 5 ). El estaño y sus compuestos se han estudiado ampliamente pero, al igual que en los sistemas de ánodos de silicio o germanio , los problemas asociados con la expansión de volumen (asociada con el llenado gradual de los orbitales p y la inserción de cationes esenciales), la formación inestable de SEI y el aislamiento electrónico se han estudiado de manera exhaustiva. intentar comercializar estos materiales. En 2013, el trabajo sobre variación morfológica realizado por investigadores de la Universidad Estatal de Washington utilizó procesos de galvanoplastia estándar para crear agujas de estaño a nanoescala que muestran una expansión de volumen un 33% menor durante la carga. [41] [42] En 2015, el equipo de investigación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign creó un andamio de nanocompuesto de níquel-estaño mecánicamente estable en 3D como ánodo de batería de iones de litio . Este andamio puede adaptarse al cambio de volumen de una capacidad específica alta durante la operación. Y el ánodo de níquel-estaño está soportado por una estructura conductora electroquímicamente inactiva con un volumen libre diseñado y dimensiones características controladas, por lo que el electrodo tiene una ciclabilidad significativamente mejorada. [43]
En cuanto a los materiales anódicos de intercalación (o inserción) de óxido, desde 1997 se han descubierto y estudiado clases similares de materiales en los que el catión de litio se inserta en vacantes cristalográficas dentro de una red metálica huésped. En general, debido a la red metálica, este tipo de materiales, por ejemplo, Cu 6 Sn 5 , [44] Mn 2 Sb, [45] se han encontrado voltajes más bajos y capacidades más altas en comparación con sus homólogos de óxido.
Cu 6 Sn 5 es una aleación intermetálica con una estructura defectuosa tipo NiAs . En la nomenclatura de tipo NiAs tendría la estequiometría Cu 0,2 CuSn, con 0,2 átomos de Cu ocupando una posición cristalográfica normalmente desocupada en la red. Estos átomos de cobre se desplazan hacia los límites de los granos cuando se cargan para formar Li 2 CuSn. Con la retención de la mayor parte de la unión metal-metal hasta 0,5 V, Cu 6 Sn 5 se ha convertido en un material anódico potencial atractivo debido a su alta capacidad teórica específica, resistencia contra el revestimiento metálico de Li, especialmente en comparación con los ánodos a base de carbono, y la temperatura ambiente. estabilidad. [44] [46] [47] En este y materiales relacionados de tipo NiAs, la intercalación de litio se produce mediante un proceso de inserción para llenar las dos vacantes cristalográficas en la red, al mismo tiempo que los 0,2 cobres adicionales se desplazan hacia los límites de grano. . Los esfuerzos por cargar la red metálica del grupo principal para compensar el exceso de cobre han tenido un éxito limitado. [48] Aunque se observa una retención significativa de la estructura hasta el compuesto ternario de litio Li 2 CuSn, la descarga excesiva del material da como resultado una desproporción con la formación de Li 22 Sn 5 y cobre elemental. Esta litiación completa va acompañada de una expansión de volumen de aproximadamente el 250%. La investigación actual se centra en investigar aleaciones y geometrías de baja dimensión para mitigar la tensión mecánica durante la litiación. Se ha demostrado que la aleación de estaño con elementos que no reaccionan con el litio, como el cobre, reduce la tensión. En cuanto a aplicaciones de bajas dimensiones, se han producido películas delgadas con capacidades de descarga de 1127 mAhg −1 con un exceso de capacidad asignado al almacenamiento de iones de litio en los límites de los granos y asociado con sitios de defectos. [49] Otros enfoques incluyen la fabricación de nanocompuestos con Cu 6 Sn 5 en su núcleo con una capa exterior no reactiva; se ha demostrado que los híbridos de SnO 2 -c son efectivos, [50] para adaptarse a los cambios de volumen y la estabilidad general a lo largo de los ciclos.
Los materiales intermetálicos en capas derivados de la estructura tipo Cu 2 Sb son materiales anódicos atractivos debido al espacio de galería abierta disponible y las similitudes estructurales con el producto de descarga Li 2 CuSb. Reportado por primera vez en 2001. [51] En 2011, los investigadores informaron sobre un método para crear materiales porosos para electrodos tridimensionales basados en antimonio electrodepositado sobre espumas de cobre seguido de un paso de recocido a baja temperatura. Se observó que aumentaba la capacidad de velocidad reduciendo las distancias de difusión del litio y al mismo tiempo aumentaba la superficie del colector de corriente. [38] En 2015, los investigadores anunciaron un ánodo de batería tridimensional de estado sólido que utilizaba antimonuro de cobre galvanizado (espuma de cobre). Luego, el ánodo se recubre con un electrolito de polímero sólido que proporciona una barrera física a través de la cual pueden viajar los iones (pero no los electrones). El cátodo es una suspensión espesa como tinta. La densidad de energía volumétrica era hasta el doble que la energía de las baterías convencionales. El electrolito sólido previene la formación de dendritas. [52]
Los electrodos porosos diseñados con nanoingeniería tienen la ventaja de distancias de difusión cortas, espacio para expansión y contracción y alta actividad. En 2006, se informó de un ejemplo de un óxido cerámico diseñado tridimensionalmente a base de titanato de litio que tenía una mejora espectacular de la velocidad con respecto al análogo no poroso. [53] Un trabajo posterior de Vaughey et al., destacó la utilidad de la electrodeposición de metales electroactivos sobre espumas de cobre para crear ánodos intermetálicos de película delgada. Estos ánodos porosos tienen alta potencia además de una mayor estabilidad ya que la naturaleza porosa abierta del electrodo permite espacio para absorber parte de la expansión del volumen. En 2011, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign descubrieron que envolver una película delgada en una nanoestructura tridimensional puede disminuir el tiempo de carga en un factor de 10 a 100. La tecnología también es capaz de ofrecer una salida de voltaje más alta. [54] En 2013, el equipo mejoró el diseño de la microbatería, ofreciendo una densidad de energía 30 veces mayor y una carga 1000 veces más rápida. [55] La tecnología también ofrece una mejor densidad de potencia que los supercondensadores . El dispositivo alcanzó una densidad de potencia de 7,4 W/cm 2 /mm. [56] En 2019, el equipo desarrolló un ánodo de estaño-carbono estructurado en 3D de alta capacidad volumétrica y de área mediante el uso de un proceso de galvanoplastia de dos pasos, que exhibe una alta capacidad volumétrica/de área de ~879 mAh/cm 3 y 6,59 mAh/cm. 2 después de 100 ciclos a 0,5 °C y 750 mAh/cm 3 y 5,5 mAh/cm 2 (delitiación) a 10 °C con una carga de Sn del 20% v/v en una configuración de media celda . [57]
En 2016, los investigadores anunciaron un ánodo compuesto por una suspensión de fosfato de hierro y litio y grafito con un electrolito líquido. Afirmaron que la técnica aumentaba la seguridad (el ánodo podía deformarse sin sufrir daños) y la densidad de energía. [58] Se informó sobre una batería de flujo sin carbono, llamada Batería de Flujo Redox de Dispersión Sólida , que propone una mayor densidad de energía y altas eficiencias operativas. [59] [60] Aquí se puede encontrar una revisión de diferentes sistemas de baterías semisólidas. [61]
En 2007, Michael Gratzel y sus colaboradores de la Universidad de Ginebra informaron sobre baterías de iones de litio, donde los sólidos electroactivos se almacenan como polvos puros (es decir, sin aglutinantes, aditivos conductores ni colectores de corriente) en tanques y se lavan con líquidos con disueltos. pares redox, capaces de intercambiar electrones con los sólidos electroactivos, añadiéndose una pila de baterías de flujo . Se espera que estos dispositivos proporcionen una mayor densidad de energía que las baterías tradicionales, pero adolecen de una menor eficiencia energética . [62]
Existen varias variedades de cátodos, pero normalmente se pueden dividir fácilmente en dos categorías: cargados y descargados. Los cátodos cargados son materiales con vacantes cristalográficas preexistentes. Estos materiales, por ejemplo las espinelas , el pentóxido de vanadio , el óxido de molibdeno o el LiV 3 O 8 , normalmente se prueban en configuraciones de celda con un ánodo de metal de litio , ya que necesitan una fuente de litio para funcionar. Si bien no es tan común en los diseños de celdas secundarias, esta clase se ve comúnmente en baterías primarias que no requieren recarga, como las baterías de dispositivos médicos implantables. La segunda variedad son los cátodos descargados donde el cátodo típicamente en un estado descargado (catión en un estado de oxidación reducido estable), tiene litio electroquímicamente activo y, cuando se carga, se crean vacantes cristalográficas. Debido a su mayor seguridad de fabricación y sin necesidad de una fuente de litio en el ánodo , esta clase es la más estudiada. Los ejemplos incluyen óxido de litio y cobalto , óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto NMC o fosfato de litio y hierro de olivino , que se pueden combinar con la mayoría de los ánodos , como grafito , titanato de litio, espinela , óxido de titanio , silicio o materiales de inserción intermetálicos para crear una celda electroquímica funcional.
Los óxidos de vanadio han sido una clase común de cátodos para estudiar debido a su alta capacidad, facilidad de síntesis y ventana electroquímica que combina bien con los electrolitos poliméricos comunes . Los cátodos de óxido de vanadio, normalmente clasificados como cátodos cargados, se encuentran en muchos tipos de estructuras diferentes. Estos materiales han sido estudiados exhaustivamente por Stanley Whittingham, entre otros. [63] [64] [65] En 2007, Subaru introdujo una batería con el doble de densidad de energía y solo tardaba 15 minutos en cargarse al 80%. Utilizaron un óxido de vanadio nanoestructurado, que es capaz de cargar de dos a tres veces más iones de litio en el cátodo que el óxido de litio y cobalto en capas. [66] En 2013, los investigadores anunciaron una síntesis de nanoflores jerárquicas de óxido de vanadio (V 10 O 24 · n H 2 O) sintetizadas mediante una reacción de oxidación de una lámina de vanadio en una solución acuosa de NaCl . Las pruebas electroquímicas demuestran que ofrecen altas capacidades específicas reversibles con una eficiencia coulómbica del 100 %, especialmente a altas tasas de C ( p. ej. , 140 mAh g −1 a 10 C). [67] En 2014, los investigadores anunciaron el uso de vidrios de vanadato-borato (vidrio V 2 O 5 – LiBO 2 con óxido de grafito reducido) como material catódico. El cátodo alcanzó alrededor de 1000 Wh/kg con altas capacidades específicas en el rango de ~ 300 mAh/g durante los primeros 100 ciclos. [68]
En 2014, investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts descubrieron que la creación de materiales para baterías de iones de litio con alto contenido de litio y desorden catiónico entre los metales electroactivos podría alcanzar 660 vatios-hora por kilogramo a 2,5 voltios . [69] Los materiales de estequiometría Li 2 MO 3 -LiMO 2 son similares a los materiales ricos en litio, litio, níquel, manganeso y óxido de cobalto (NMC), pero sin el ordenamiento de cationes. El litio adicional crea mejores vías de difusión y elimina puntos de transición de alta energía en la estructura que inhiben la difusión del litio.
En 2015, los investigadores mezclaron pentóxido de vanadio en polvo con compuestos de borato a 900 C y rápidamente enfriaron la masa fundida para formar vidrio. Las finas hojas resultantes se trituraron hasta convertirlas en polvo para aumentar su superficie. El polvo se recubrió con óxido de grafito reducido (RGO) para aumentar la conductividad y al mismo tiempo proteger el electrodo. El polvo recubierto se utilizó para los cátodos de la batería. Las pruebas indicaron que la capacidad era bastante estable a altas tasas de descarga y se mantenía consistentemente durante 100 ciclos de carga/descarga. La densidad de energía alcanzó alrededor de 1.000 vatios-hora por kilogramo y una capacidad de descarga que superó los 300 mAh/g. [70]
Utilizado como cátodo para una batería de litio-azufre , este sistema tiene una alta capacidad de formación de Li 2 S. En 2014, investigadores de la Escuela de Ingeniería de Viterbi de la USC utilizaron un cátodo de azufre recubierto de óxido de grafito para crear una batería con 800 mAh/g para 1000 ciclos de carga/descarga, más de 5 veces la densidad de energía de los cátodos comerciales. El azufre es abundante, de bajo costo y de baja toxicidad. El azufre ha sido un candidato prometedor a cátodo debido a su alta densidad de energía teórica, más de 10 veces mayor que la de los cátodos de óxido metálico o fosfato. Sin embargo, la baja durabilidad del ciclo del azufre ha impedido su comercialización. Se afirma que el recubrimiento de óxido de grafeno sobre azufre resuelve el problema de la durabilidad del ciclo. Óxido de grafeno de alta superficie, estabilidad química, resistencia mecánica y flexibilidad. [28]
En 2012, investigadores de Polyplus Corporation crearon una batería con una densidad de energía más del triple que la de las baterías tradicionales de iones de litio utilizando haluros o materiales orgánicos del agua de mar como cátodo activo. Su densidad energética es de 1.300 W·h/kg , muy por encima de los tradicionales 400 W·h/kg. Dispone de un electrodo positivo de litio sólido y un electrolito sólido. Podría usarse en aplicaciones submarinas. [71]
En 1998, un equipo del Laboratorio Nacional Argonne informó sobre el descubrimiento de cátodos NMC ricos en litio . [72] [73] Estos materiales de alta capacidad y alto voltaje consisten en nanodominios de dos materiales estructuralmente similares pero diferentes. En la primera carga, que se caracteriza por su larga meseta de alrededor de 4,5 V (frente a Li), el paso de activación crea una estructura que se equilibra gradualmente en materiales más estables mediante el reposicionamiento de cationes desde puntos de alta energía a puntos de menor energía en la red. La propiedad intelectual que rodea a estos materiales ha sido licenciada a varios fabricantes, incluidos BASF, General Motors para Chevrolet Volt y Chevrolet Bolt , y Toda. Se ha examinado exhaustivamente el mecanismo de la alta capacidad y la disminución gradual del voltaje. En general, se cree que el paso de activación de alto voltaje induce varios defectos de cationes que, al circular, se equilibran a través de los sitios de la capa de litio a un estado de menor energía que exhibe un voltaje de celda más bajo pero con una capacidad similar. [74] [75]
LiFePO 4 es un cátodo de batería de iones de litio de 3,6 V presentado inicialmente por John Goodenough y está estructuralmente relacionado con el mineral olivino y consta de una red tridimensional de una estructura [FePO4] que rodea un catión de litio. El catión de litio se encuentra en un canal unidimensional a lo largo del eje [010] de la estructura cristalina. Esta alineación produce una conductividad iónica anisotrópica que tiene implicaciones para su uso como cátodo de batería y hace que el control morfológico sea una variable importante en el rendimiento de la velocidad de la celda electroquímica. Aunque el análogo del hierro es el más comercial debido a su estabilidad, existe la misma composición para el níquel, el manganeso y el cobalto, aunque los altos voltajes de carga de las celdas observados y los desafíos sintéticos para estos materiales los hacen viables pero más difíciles de comercializar. Si bien el material tiene buena conductividad iónica, posee una conductividad electrónica intrínseca deficiente. Esta combinación hace que las composiciones y compuestos nanofásicos o recubrimientos (para aumentar la conductividad electrónica de toda la matriz) con materiales como el carbono sean ventajosos. Las alternativas a las nanopartículas incluyen estructuras de mesoescala, como las baterías de nanobolas de olivino LiFePO 4 , que pueden tener capacidades de velocidad dos órdenes de magnitud mayores que los materiales ordenados aleatoriamente. La carga rápida está relacionada con la gran superficie de las nanobolas donde los electrones se transmiten a la superficie del cátodo a una velocidad más alta.
En 2012, investigadores de A123 Systems desarrollaron una batería que funciona en temperaturas extremas sin necesidad de material de gestión térmica. Pasó por 2000 ciclos completos de carga y descarga a 45 °C manteniendo una densidad de energía superior al 90 %. Lo hace utilizando un electrodo positivo de nanofosfato. [76] [77]
Un compuesto catódico " relacionado con el ortosilicato de litio ", Li
2MnSiO
4, pudo soportar una capacidad de carga de 335 mAh/g. [78] Las nanocajas porosas de Li 2 MnSiO 4 @C se sintetizaron mediante un método de reacción de estado sólido de química húmeda. El material mostraba una nanoestructura hueca con una capa porosa cristalina compuesta de nanocristales de Li 2 MnSiO 4 de fase pura . Los patrones de difracción de rayos X en polvo y las imágenes de microscopía electrónica de transmisión revelaron que la alta pureza de fase y la arquitectura de nanocaja porosa se lograron mediante nanocubos de núcleo-cubierta de MnCO 3 @SiO 2 monodispersos con un espesor de cubierta controlado. [79]
En 2009, investigadores del Instituto de Investigación de la Universidad de Dayton anunciaron una batería de estado sólido con mayor densidad de energía que utiliza aire como cátodo. Cuando esté completamente desarrollado, la densidad de energía podría superar los 1.000 Wh/kg. [80] [81] En 2014, investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tokio y Nippon Shokubai descubrieron que agregar cobalto a la estructura cristalina de óxido de litio le daba siete veces la densidad de energía . [82] [83] En 2017, investigadores de la Universidad de Virginia informaron sobre un método escalable para producir óxido de cobalto y litio a escala submicrométrica. [84]
Los fluoruros de metales de transición (TMF) forman una fase metálica dentro de una matriz de LiF al reaccionar con el litio. Los TMF suelen mostrar una reversibilidad electroquímica deficiente y una conductividad iónica y electrónica deficiente. Aunque los investigadores todavía están trabajando para comprender los mecanismos exactos de reacción electroquímica de los TMF, existe un acuerdo general en que el fuerte enlace iónico metal-fluoruro contribuye a una cinética deficiente dentro de las celdas de la batería. [85] Entre los TMF, el fluoruro de hierro es de particular interés porque el hierro es abundante en la Tierra y respetuoso con el medio ambiente en comparación con los populares materiales catódicos de tipo intercalado, el níquel y el cobalto . [85] [86]
El fluoruro de hierro (II) (FeF 2 ) y el fluoruro de hierro (III) (FeF 3 ) han despertado interés reciente como materiales catódicos de tipo conversión debido a sus altas densidades teóricas de energía gravimétrica y capacidades específicas, 571 mAh g −1 y 712 mAh g. −1 respectivamente. [86] [87] [88] Esta alta densidad y capacidad de energía se deriva de la capacidad de los fluoruros de hierro para transferir 2-3 electrones por átomo de Fe por reacción. [86]
La disminución del tamaño de las partículas es uno de los principales métodos que los investigadores han utilizado para superar las propiedades aislantes del fluoruro de hierro. El molino de bolas utiliza fuerzas de corte para formar partículas finas que pueden mejorar la conductividad al aumentar el área de superficie de las partículas y reducir la longitud de la trayectoria del portador hasta los sitios de reacción. Si bien ha habido cierto éxito con el molino de bolas, este método puede conducir a una distribución del tamaño de partículas no uniforme. [88] [89]
Otro desafío con los cátodos de conversión de fluoruro metálico incluye la expansión del volumen durante el ciclo. [86] [88] La expansión del volumen disminuye la reversibilidad de las reacciones y la estabilidad del ciclo. Además, la expansión del volumen produce fatiga mecánica y fractura de la matriz de metal/LiF y, en última instancia, puede provocar el fallo de la celda. [86] El éxito reciente con electrolitos de polímeros sólidos (SPE) ha aumentado la estabilidad electroquímica y la elasticidad de la interfaz cátodo-electrolito (CEI). A diferencia de los electrolitos líquidos tradicionales que forman una capa CEI gruesa y quebradiza, estos cátodos FeF 2 -SPE forman capas CEI elásticas que están encapsuladas por el electrolito elástico y la capa compuesta fuerte. El SPE elástico es capaz de resistir la expansión de volumen del FeF 2 y los nanotubos de carbono (CNT) fortalecen el compuesto para evitar la fatiga mecánica. [88] Otra técnica para evitar la expansión de volumen incluye la creación de un nanocompuesto de FeF 3 litiado con carbono. Un nanocompuesto FeF 3 /C litiado ya contiene litio en estrecho contacto con FeF 3 , por lo que reduce significativamente la tensión/deformación que se produce durante la litiación en el primer ciclo. [90]
Actualmente, los electrolitos suelen estar formados por sales de litio en un disolvente orgánico líquido . Los disolventes habituales son los carbonatos orgánicos (cíclicos, de cadena lineal), las sulfonas, las imidas, los polímeros (óxido de polietileno) y los derivados fluorados. Las sales comunes incluyen LiPF 6 , LiBF 4 , LiTFSI y LiFSI. La investigación se centra en una mayor seguridad mediante la reducción de la inflamabilidad y la reducción de cortocircuitos mediante la prevención de dendritas .
En 2014, investigadores de la Universidad de Carolina del Norte encontraron una manera de reemplazar el solvente orgánico inflamable del electrolito con perfluoropoliéter no inflamable (PFPE). El PFPE se utiliza habitualmente como lubricante industrial, por ejemplo, para evitar que la vida marina se adhiera al fondo de los barcos. El material exhibió números de transferencia altos sin precedentes y una polarización electroquímica baja, lo que indica una mayor durabilidad del ciclo. [91]
Si bien no han llegado al mercado baterías de estado sólido, varios grupos están investigando esta alternativa. La idea es que los diseños de estado sólido son más seguros porque evitan que las dendritas provoquen cortocircuitos. También tienen el potencial de aumentar sustancialmente la densidad de energía porque su naturaleza sólida previene la formación de dendritas y permite el uso de ánodos de litio metálicos puros. Pueden tener otros beneficios, como un funcionamiento a temperatura más baja.
En 2015, los investigadores anunciaron un electrolito que utiliza conductores superiónicos de iones de litio, que son compuestos de litio, germanio, fósforo y azufre. [92]
En 2015, los investigadores trabajaron con una batería de fluoruro de litio y carbono. Incorporaron un electrolito de tiofosfato de litio sólido en el que el electrolito y el cátodo trabajaron en cooperación, lo que dio como resultado una capacidad del 26 por ciento. Durante la descarga, el electrolito genera una sal de fluoruro de litio que cataliza aún más la actividad electroquímica, convirtiendo un componente inactivo en uno activo. Más importante aún, se esperaba que la técnica aumentara sustancialmente la duración de la batería. [93]
En marzo de 2017, los investigadores anunciaron una batería de estado sólido con un electrolito ferroeléctrico vítreo de iones de litio, oxígeno y cloro dopados con bario, un ánodo de metal de litio y un cátodo compuesto en contacto con un sustrato de cobre. Un resorte detrás del sustrato del cátodo de cobre mantiene unidas las capas a medida que los electrodos cambian de espesor. El cátodo comprende partículas de azufre "centro redox", carbono y electrolito. Durante la descarga, los iones de litio recubren el cátodo con litio metálico y el azufre no se reduce a menos que se produzca una descarga profunda irreversible. El cátodo espesado es una forma compacta de almacenar el litio usado. Durante la recarga, este litio regresa al electrolito vítreo y finalmente recubre el ánodo, que se espesa. No se forman dendritas. [94] La celda tiene 3 veces la densidad de energía de las baterías de iones de litio convencionales. Se demostró una vida útil prolongada de más de 1200 ciclos. El diseño también permite la sustitución de sodio por litio, minimizando los problemas ambientales del litio. [95]
Los electrolitos convencionales generalmente contienen halógenos , que son tóxicos. En 2015, los investigadores afirmaron que estos materiales podrían reemplazarse con superhalógenos no tóxicos sin comprometer el rendimiento. En los superhalógenos, las energías de desprendimiento vertical de electrones de los restos que forman los iones negativos son mayores que las de cualquier átomo de halógeno. [96] Los investigadores también descubrieron que el procedimiento descrito para las baterías de iones de litio es igualmente válido para otras baterías de iones de metal, como las de iones de sodio o de iones de magnesio . [97]
En 2015, investigadores de la Universidad de Maryland y el Laboratorio de Investigación del Ejército mostraron ventanas de potencial estable significativamente mayores para electrolitos acuosos con una concentración de sal muy alta. [98] [99] [100] Al aumentar la molalidad de la sal de litio de bis(trifluorometano)sulfonimida a 21 m , la ventana de potencial podría aumentarse de 1,23 a 3 V debido a la formación de SEI en el electrodo del ánodo, que anteriormente sólo se ha logrado con electrolitos no acuosos. [101] El uso de electrolitos acuosos en lugar de orgánicos podría mejorar significativamente la seguridad de las baterías de iones de litio. [98]
Una batería experimental de metal de litio con LiNi
0,88Co
0,09Minnesota
0,03oh
2/Material de cátodo NCM88 con electrolito líquido iónico de doble anión (ILE) 0,8Pyr
14FSI
0,2LiTFSI se demostró en 2021. Este electrolito permite una capacidad específica inicial de 214 mAh g-1 y una retención de capacidad del 88 % durante 1000 ciclos con una eficiencia Coulombic promedio del 99,94 %. Las celdas alcanzaron una energía específica superior a 560 Wh kg-1 a >4 voltios. La capacidad después de 1.000 ciclos fue del 88%. Es importante destacar que el cátodo conservó su integridad estructural durante todos los ciclos de carga. [102]
En 2014, investigadores del MIT, Sandia National Laboratories , Samsung Advanced Institute of Technology America y Lawrence Berkeley National Laboratory descubrieron que se podía utilizar una carga uniforme con una mayor velocidad de carga para acelerar la carga de la batería. Este descubrimiento también podría aumentar la durabilidad del ciclo a diez años. La carga tradicionalmente más lenta evitaba el sobrecalentamiento, lo que acorta la durabilidad del ciclo. Los investigadores utilizaron un acelerador de partículas para aprender que en los dispositivos convencionales cada incremento de carga es absorbido por una sola o una pequeña cantidad de partículas hasta que se cargan y luego continúan. Al distribuir los circuitos de carga/descarga por todo el electrodo, se podría reducir el calentamiento y la degradación y, al mismo tiempo, permitir una densidad de potencia mucho mayor. [103] [104]
En 2014, investigadores de Qnovo desarrollaron software para un teléfono inteligente y un chip de computadora capaz de acelerar el tiempo de recarga en un factor de 3 a 6, al tiempo que aumenta la durabilidad del ciclo. La tecnología es capaz de comprender cómo se debe cargar la batería de manera más efectiva, evitando al mismo tiempo la formación de dendritas . [105]
En 2019, Chao-Yang Wang de la Universidad Penn State descubrió que es posible recargar las baterías de iones de litio (convencionales) de los vehículos eléctricos en menos de 10 minutos. Lo hizo calentando la batería a 60 °C, recargándola y luego enfriándola rápidamente. Esto causa muy poco daño a las baterías. El profesor Wang utilizó una fina lámina de níquel con un extremo unido al terminal negativo y el otro extremo extendido hacia el exterior de la celda para crear un tercer terminal. Un sensor de temperatura conectado a un interruptor completa el circuito. [106]
En 2014, investigadores independientes de Canadá anunciaron un sistema de gestión de baterías que cuadruplicaba los ciclos, con una energía específica de 110 a 175 Wh/kg utilizando una arquitectura de paquete de baterías y un algoritmo de control que le permite utilizar completamente los materiales activos en las celdas de la batería. . El proceso mantiene la difusión de iones de litio en niveles óptimos y elimina la polarización de concentración, lo que permite que los iones se unan o se separen de manera más uniforme del cátodo. La capa SEI permanece estable, evitando pérdidas de densidad de energía. [107] [108]
En 2016, los investigadores anunciaron un sistema de apagado reversible para prevenir la fuga térmica. El sistema empleó un material de conmutación de polímero termosensible. Este material consta de nanopartículas de níquel puntiagudas, recubiertas de grafeno, electroquímicamente estables en una matriz polimérica con un alto coeficiente de expansión térmica. La conductividad eléctrica de la película a temperatura ambiente fue de hasta 50 S cm-1. La conductividad disminuye en un segundo en 10 7 -10 8 a la temperatura de transición y se recupera espontáneamente a temperatura ambiente. El sistema ofrece una sensibilidad 10 3 –10 4 veces mayor que los dispositivos anteriores. [109] [110]
En 2014, varios equipos de investigación y proveedores demostraron tecnologías de baterías flexibles para su uso potencial en textiles y otras aplicaciones.
Una técnica hizo que las baterías de iones de litio fueran flexibles, flexibles, giratorias y crujientes utilizando el pliegue Miura . Este descubrimiento utiliza materiales convencionales y podría comercializarse para teléfonos inteligentes plegables y otras aplicaciones. [111]
Otro enfoque utilizó hilos de fibra de nanotubos de carbono . Se afirmó que las fibras de 1 mm de diámetro eran lo suficientemente livianas como para crear baterías textiles que se puedan tejer y usar. El hilo era capaz de almacenar casi 71 mAh/g. Se depositaron partículas de manganato de litio (LMO) sobre una lámina de nanotubos de carbono (CNT) para crear un hilo compuesto CNT-LMO para el cátodo. Los hilos compuestos del ánodo intercalaron una lámina de CNT entre dos láminas de CNT recubiertas de silicona. Cuando se enrollan por separado y luego se enrollan juntas separadas por un electrolito de gel, las dos fibras forman una batería. También se pueden enrollar sobre una fibra polimérica para agregarla a un tejido existente. Cuando las fibras de silicio se cargan y descargan, el volumen del silicio se expande hasta un 300 por ciento, dañando la fibra. La capa de CNT entre la lámina recubierta de silicio amortiguó el cambio de volumen del silicio y lo mantuvo en su lugar. [112]
Un tercer enfoque produjo baterías recargables que se pueden imprimir a bajo costo en impresoras de pantalla industriales de uso común. Las baterías utilizan un portador de carga de zinc con un electrolito de polímero sólido que previene la formación de dendritas y proporciona una mayor estabilidad. El dispositivo resistió 1.000 ciclos de flexión sin sufrir daños. [113]
Un cuarto grupo creó un dispositivo que tiene un grosor de una centésima de pulgada y que también funciona como supercondensador. La técnica implicó grabar una capa de fluoruro de níquel (II) de 900 nanómetros de espesor con agujeros de cinco nanómetros regularmente espaciados para aumentar la capacidad. El dispositivo utilizaba un electrolito hecho de hidróxido de potasio en alcohol polivinílico . El dispositivo también se puede utilizar como supercondensador. La carga rápida permite una descarga rápida similar a la de un supercondensador, mientras que la carga con una tasa de corriente más baja proporciona una descarga más lenta. Conservó el 76 por ciento de su capacidad original después de 10.000 ciclos de carga-descarga y 1.000 ciclos de flexión. La densidad de energía se midió en 384 Wh/kg y la densidad de potencia en 112 kW/kg. [114]
La investigación actual se ha centrado principalmente en encontrar nuevos materiales y caracterizarlos mediante su capacidad específica (mAh/ g ), lo que proporciona una buena métrica para comparar y contrastar todos los materiales de electrodos. Recientemente, algunos de los materiales más prometedores están mostrando grandes expansiones de volumen que deben tenerse en cuenta al diseñar dispositivos. Menos conocida en este ámbito de los datos es la capacidad volumétrica (mAh/ cm 3 ) de diversos materiales para su diseño.
Los investigadores han adoptado varios enfoques para mejorar el rendimiento y otras características mediante el uso de materiales nanoestructurados. Una estrategia es aumentar la superficie del electrodo. Otra estrategia es reducir la distancia entre electrodos para reducir las distancias de transporte. Otra estrategia más es permitir el uso de materiales que presenten defectos inaceptables cuando se usan en forma masiva, como el silicio.
Finalmente, ajustar las geometrías de los electrodos, por ejemplo, interdigitando unidades de ánodo y cátodo de diversas formas como filas de ánodos y cátodos, alternando ánodos y cátodos, ánodos:cátodos empaquetados hexagonalmente 1:2 y polos triangulares anódicos y catódicos alternados. Un electrodo puede anidarse dentro de otro.
Los nanotubos y nanocables de carbono se han examinado para diversos fines, al igual que los aerogeles y otros nuevos materiales a granel.
Finalmente, se han examinado varios nanorrecubrimientos para aumentar la estabilidad y el rendimiento de los electrodos.
Ahora se están integrando nanosensores en cada celda de la batería. Esto ayudará a monitorear el estado de carga en tiempo real, lo que será útil no solo por razones de seguridad sino también para maximizar el uso de la batería. [115]
En 2016, investigadores de CMU descubrieron que las células prismáticas tienen más probabilidades de beneficiarse del escalamiento de la producción que las células cilíndricas. [116] [117]
La eliminación de las baterías eléctricas fabricadas con baterías de iones de litio ha aumentado considerablemente, provocando amenazas a la protección del medio ambiente y desperdicio de recursos. Alrededor de 100-120 GWh de baterías de vehículos eléctricos se retirarán para 2030. [118] Por lo tanto, se ha sugerido el reciclaje y la reutilización de dichas baterías eléctricas retiradas. [119] [120] Algunas baterías de energía retiradas todavía tienen ~80% de su capacidad inicial. [121] [122] [123] Por lo tanto, pueden reutilizarse y reutilizarse como aplicaciones de segunda vida, por ejemplo, para servir a las baterías en los sistemas de almacenamiento de energía. [124] [125] [126] [127] Los gobiernos de diferentes países han reconocido este problema emergente y se han preparado para lanzar sus políticas para hacer frente a las baterías reutilizadas, como principios de codificación, sistemas de gestión de trazabilidad, directrices para las fábricas de fabricación, directrices para el proceso de desmantelamiento, medición de energía residual, créditos fiscales, reembolsos y apoyo financiero. [128] [129] [130] [131]
Los estándares para aplicaciones de segunda vida de baterías de vehículos eléctricos retiradas son todavía una tecnología emergente. Uno de los pocos estándares, UL 1974, fue publicado por Underwriters Laboratories (UL). [132] El documento proporciona un procedimiento general de las operaciones de seguridad y pruebas de rendimiento en celdas, paquetes y módulos de baterías de energía retirados, pero no puede detallar los pasos ni los detalles. Para aplicaciones en el mundo real, el diseño, el factor de forma y los materiales de las celdas, paquetes y módulos de batería existentes a menudo varían mucho entre sí. Es difícil desarrollar un procedimiento técnico unificado. Además, la información sobre los procedimientos técnicos detallados aplicados generalmente no está disponible en la literatura abierta, excepto Schneider et al. quien demostró el procedimiento para restaurar pequeñas baterías cilíndricas de NiMH utilizadas en teléfonos móviles, [133] [134] Zhao, quien publicó las experiencias exitosas de algunas aplicaciones orientadas a la red de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos en China, [135] y Chung, quien informó el procedimiento descrito en UL 1974 en una batería de reutilización LiFePO 4 . [118]
Ya se han alcanzado economías de escala y las futuras reducciones de costos derivadas del aumento de los volúmenes de producción son mínimas. Las celdas prismáticas, que pueden aprovechar aún más la reducción de costos de los formatos más grandes, pueden ofrecer reducciones mayores que las posibles para las celdas cilíndricas.
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