Las baterías recargables de metal de litio son baterías secundarias de metal de litio . Tienen litio metálico como electrodo negativo . La alta capacidad específica del metal de litio (3860 mAh g −1 ), el potencial redox muy bajo (−3,040 V frente al electrodo de hidrógeno estándar) y la baja densidad (0,59 g cm −3 ) lo convierten en el material negativo ideal para tecnologías de baterías de alta densidad energética. [1] Las baterías recargables de metal de litio pueden tener un tiempo de funcionamiento prolongado debido a la alta densidad de carga del litio . Varias empresas y muchos grupos de investigación académica están investigando y desarrollando actualmente baterías recargables de metal de litio, ya que se consideran una vía líder para el desarrollo más allá de las baterías de iones de litio . [2] Algunas baterías recargables de metal de litio emplean un electrolito líquido y otras emplean un electrolito de estado sólido .
Una batería de metal de litio recargable fue comercializada por Moli Energy (ahora conocida como E-One Moli Energy ) en la década de 1980, pero después de que varias celdas se incendiaran, los dispositivos que usaban baterías Moli fueron retirados del mercado y la empresa entró en suspensión de pagos. [3]
Los principales desafíos en el desarrollo de baterías recargables prácticas de metal de litio son la vida útil reducida de las celdas debido a la baja eficiencia de Coulomb y la poca confiabilidad debido a la formación de dendritas que causa un cortocircuito. Los esfuerzos para mejorar el rendimiento se centran en la elección del electrolito, ya que la reacción del electrolito con el litio determina la eficiencia de Coulomb y el electrolito separador debe soportar la formación de dendritas.
Las direcciones de investigación incluyen sistemas con alto contenido de sal, aditivos o electrolitos que contienen flúor que forman capas de interfaz sólido-electrolito (SEI) en litio y encapsulan litio dentro de capas protectoras.
En 2023, se demostró que los electrolitos sin solventes basados en mezclas de sales fundidas de bajo punto de fusión tienen una amplia ventana electroquímica (5 V), buena compatibilidad con el ánodo de metal de litio y una inflamabilidad/volatilidad insignificantes. [4] [5] Representan una dirección prometedora hacia baterías de metal de litio recargables de alto rendimiento y seguras.
Los electrolitos de polímeros sólidos , como el óxido de polietileno (PEO), se han investigado durante décadas, pero requieren cátodos de alta temperatura, bajo voltaje y bajas densidades de corriente para alcanzar una vida útil y una confiabilidad razonables. [6] Se han estudiado compuestos de polímeros inorgánicos para encontrar un sistema procesable y flexible. Se han estudiado muchas familias de materiales inorgánicos, incluidos LiPON, borohidruro de litio , sulfuros vítreos, semicristalinos y cristalinos, fosfatos estructurados NASICON , perovskitas , antiperovskitas y granates .
Bolloré ha comercializado baterías recargables de metal de litio en el marco del programa Bluecar , y Cymbet y otras empresas han vendido baterías de película fina con bajo contenido energético. Varias empresas están desarrollando baterías recargables de metal de litio para aplicaciones en dispositivos electrónicos de consumo y vehículos eléctricos. El estado de los esfuerzos de desarrollo cuyos datos se han anunciado públicamente se resume en la siguiente tabla.
Aunque este tipo de batería ha estado disponible en forma de pequeñas baterías de botón desde el año 2000, los intentos de producir versiones más grandes capaces de proporcionar grandes cantidades de energía hasta ahora no han tenido éxito. Las baterías de metal de litio tienen características muy diferentes a las baterías de iones de litio más comunes. [12]
Su voltaje terminal es menor que el de las baterías de iones de litio, y oscila entre 3,1 voltios cuando están completamente cargadas y 1,0 voltios cuando están completamente descargadas. A diferencia de las baterías de iones de litio, el voltaje terminal no disminuye de manera constante a medida que avanza la descarga. El voltaje cae de 3,1 voltios a 2,5 aproximadamente durante el primer 10 % de la descarga. A partir de aquí, el voltaje terminal permanece relativamente constante en 2,5 voltios hasta que queda aproximadamente el 10 % de la carga utilizable. A partir de aquí, cae a 1,0 voltio, momento en el que la batería no debe descargarse más, ya que se producirían daños permanentes.
La mayor desventaja de la batería de metal de litio actual (a partir de 2024 [actualizar]) es que la corriente de descarga máxima es un mísero 0,2 % de la capacidad. Es decir, para una batería de 5 mAh (un tamaño de corriente típico), la corriente de descarga máxima es de solo 10 μA. [13]
Los requisitos de carga de la batería también son muy diferentes a los de las baterías de iones de litio. Así como la corriente máxima de descarga es muy baja, también lo es la corriente máxima de carga. El único método recomendado es cargar la batería con una fuente de voltaje de exactamente 3,1 voltios a través de una resistencia limitadora de corriente. El valor de la resistencia se obtiene dividiendo 5 por la capacidad de mAh de la batería. La desventaja es que la batería debe cargarse durante un período de 30 horas.
Las características de carga y descarga indican que este tipo de batería solo es adecuada para aplicaciones como respaldo de memoria o para alimentar un chip de reloj en tiempo real en (por ejemplo) una cámara.
La batería tiene una característica de temperatura muy diferente a la de las baterías de iones de litio. El rango de temperatura oficial es de -20 a 60 °C. En comparación con 20 °C, la batería sufre una reducción de aproximadamente el 15 % en la capacidad disponible a -20 °C, lo que no es tan inusual. Sin embargo, a 60 °C, la batería presenta un 5-10 % adicional de capacidad.
Una gran ventaja es que la tasa de autodescarga de este tipo de batería es la más baja de cualquier tecnología de batería recargable existente; tan baja, de hecho, que las baterías tienen una vida útil de más de 10 años.
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