La batería de iones de litio de película delgada es una forma de batería de estado sólido . [1] Su desarrollo está motivado por la perspectiva de combinar las ventajas de las baterías de estado sólido con las ventajas de los procesos de fabricación de película delgada .
La construcción de película delgada podría conducir a mejoras en la energía específica , la densidad de energía y la densidad de potencia, además de las ganancias derivadas del uso de un electrolito sólido . Permite células flexibles de sólo unas pocas micras de espesor. [2] También puede reducir los costos de fabricación debido al procesamiento escalable rollo a rollo e incluso permitir el uso de materiales baratos. [3]
Las baterías de iones de litio almacenan energía química en productos químicos reactivos en los ánodos y cátodos de una celda. Normalmente, los ánodos y los cátodos intercambian iones de litio (Li+) a través de un electrolito fluido que pasa a través de un separador poroso que evita el contacto directo entre el ánodo y el cátodo. Tal contacto provocaría un cortocircuito interno y una reacción incontrolada potencialmente peligrosa. La corriente eléctrica generalmente es transportada por colectores conductores en los ánodos y cátodos hacia y desde los terminales negativo y positivo de la celda (respectivamente).
En una batería de litio de película delgada el electrolito es sólido y los demás componentes se depositan en capas sobre un sustrato . En algunos diseños, el electrolito sólido también sirve como separador.
Los materiales del cátodo de las baterías de iones de litio de película delgada son los mismos que los de las baterías de iones de litio clásicas. Normalmente son óxidos metálicos que se depositan en forma de película mediante diversos métodos.
Los materiales de óxido metálico se muestran a continuación, así como sus capacidades específicas relativas ( Λ ), voltajes de circuito abierto ( V oc ) y densidades de energía ( D E ).
Se utilizan varios métodos para depositar materiales catódicos de película delgada en el colector de corriente.
En la deposición por láser pulsado , los materiales se fabrican controlando parámetros como la energía y la fluencia del láser, la temperatura del sustrato, la presión de fondo y la distancia entre el objetivo y el sustrato.
En Magnetron Sputtering, el sustrato se enfría para su deposición.
En la deposición química de vapor , los materiales precursores volátiles se depositan sobre un material de sustrato.
El procesamiento sol-gel permite una mezcla homogénea de materiales precursores a nivel atómico.
La mayor diferencia entre las baterías de iones de litio clásicas y las baterías de iones de litio delgadas y flexibles está en el material del electrolito utilizado. El progreso en las baterías de iones de litio depende tanto de mejoras en el electrolito como en los materiales de los electrodos, ya que el electrolito desempeña un papel importante en el funcionamiento seguro de la batería. El concepto de baterías de iones de litio de película delgada estuvo cada vez más motivado por las ventajas de fabricación que presentaba la tecnología de polímeros para su uso como electrolitos. LiPON, oxinitruro de fósforo y litio, es un material vítreo amorfo que se utiliza como material electrolítico en baterías flexibles de película delgada. Se depositan capas de LiPON sobre el material del cátodo a temperatura ambiente mediante pulverización catódica con magnetrón de RF. Esto forma el electrolito sólido utilizado para la conducción de iones entre el ánodo y el cátodo. [4] [5] LiBON, oxinitruro de boro y litio, es otro material vítreo amorfo utilizado como material electrolítico sólido en baterías flexibles de película delgada. [6] Los electrolitos de polímero sólido ofrecen varias ventajas en comparación con una batería de iones de litio líquida clásica. En lugar de tener componentes separados de electrolito, aglutinante y separador, estos electrolitos sólidos pueden actuar como los tres. Esto aumenta la densidad de energía general de la batería ensamblada porque los componentes de toda la celda están más empaquetados.
Los materiales separadores en las baterías de iones de litio no deben bloquear el transporte de iones de litio e impedir al mismo tiempo el contacto físico de los materiales del ánodo y del cátodo, por ejemplo, cortocircuitos. En una celda líquida, este separador sería una malla de vidrio o polímero poroso que permite el transporte de iones a través del electrolito líquido a través de los poros, pero evita que los electrodos entren en contacto y se cortocircuiten. Sin embargo, en una batería de película delgada, el electrolito es un sólido, lo que satisface convenientemente tanto el transporte de iones como los requisitos de separación física sin la necesidad de un separador dedicado.
Los colectores de corriente en baterías de película delgada deben ser flexibles, tener una gran superficie y ser rentables. Se ha demostrado que los nanocables de plata con superficie y peso de carga mejorados funcionan como colectores de corriente en estos sistemas de baterías, pero aún no son tan rentables como se desearía. Al extender la tecnología del grafito a las baterías de iones de litio, se están estudiando películas de nanotubos de carbono (CNT) procesadas en solución para su uso como material colector de corriente y de ánodo. Los CNT tienen la capacidad de intercalar litio y mantener altos voltajes operativos, todo con baja carga de masa y flexibilidad.
Las baterías de iones de litio de película delgada ofrecen un rendimiento mejorado al tener un voltaje de salida promedio más alto, pesos más livianos, por lo tanto, mayor densidad de energía (3x) y una vida útil más larga (1200 ciclos sin degradación) y pueden funcionar en un rango más amplio de temperaturas (entre -20 y 60 °C) que las típicas baterías recargables de iones de litio.
Las células de transferencia de iones de litio son los sistemas más prometedores para satisfacer la demanda de alta energía específica y alta potencia y serían más económicas de fabricar.
En la batería de iones de litio de película delgada, ambos electrodos son capaces de insertar litio de manera reversible, formando así una celda de transferencia de iones de litio. Para construir una batería de película delgada es necesario fabricar todos los componentes de la batería, como un ánodo , un electrolito sólido , un cátodo y conductores de corriente en películas delgadas de múltiples capas mediante tecnologías adecuadas.
En un sistema basado en una película delgada, el electrolito es normalmente un electrolito sólido, capaz de adaptarse a la forma de la batería. Esto contrasta con las baterías de iones de litio clásicas, que normalmente tienen material electrolítico líquido. Los electrolitos líquidos pueden resultar difíciles de utilizar si no son compatibles con el separador. Además, los electrolitos líquidos en general requieren un aumento en el volumen total de la batería, lo que no es ideal para diseñar un sistema que tenga una alta densidad de energía. Además, en una batería de iones de litio flexible de película delgada, el electrolito, que normalmente está basado en polímero , puede actuar como electrolito, separador y material aglutinante. Esto proporciona la capacidad de tener sistemas flexibles ya que se evita el problema de las fugas de electrolitos . Por último, los sistemas sólidos se pueden empaquetar estrechamente, lo que permite un aumento de la densidad de energía en comparación con las baterías clásicas de iones de litio líquidos.
Los materiales separadores en las baterías de iones de litio deben tener la capacidad de transportar iones a través de sus membranas porosas manteniendo una separación física entre los materiales del ánodo y del cátodo para evitar cortocircuitos. Además, el separador debe ser resistente a la degradación durante el funcionamiento de la batería. En una batería de iones de litio de película delgada, el separador debe ser un sólido delgado y flexible. Normalmente, hoy en día, este material es un material a base de polímeros. Dado que las baterías de película delgada están hechas exclusivamente de materiales sólidos, se pueden utilizar materiales separadores más simples en estos sistemas, como el papel Xerox, en lugar de las baterías de iones de litio de base líquida.
El desarrollo de baterías delgadas de estado sólido permite la producción de baterías de tipo rollo a rollo para disminuir los costos de producción. Las baterías de estado sólido también pueden permitir una mayor densidad de energía debido a la disminución del peso total del dispositivo, mientras que la naturaleza flexible permite un diseño novedoso de la batería y una incorporación más fácil a la electrónica. Aún es necesario desarrollar materiales catódicos que resistan la reducción de capacidad debido al ciclo.
Los avances realizados en la batería de iones de litio de película delgada han permitido muchas aplicaciones potenciales. La mayoría de estas aplicaciones tienen como objetivo mejorar los productos médicos y de consumo disponibles actualmente. Las baterías de iones de litio de película delgada se pueden utilizar para fabricar dispositivos electrónicos portátiles más delgados, porque el grosor de la batería necesaria para operar el dispositivo se puede reducir considerablemente. Estas baterías tienen la capacidad de ser parte integral de dispositivos médicos implantables, como desfibriladores y estimuladores neuronales, tarjetas “inteligentes”, [8] etiquetas de identificación por radiofrecuencia [3] y sensores inalámbricos. [9] También pueden servir como una forma de almacenar energía recolectada de células solares u otros dispositivos de recolección. [9] Cada una de estas aplicaciones es posible gracias a la flexibilidad en el tamaño y la forma de las baterías. El tamaño de estos dispositivos ya no tiene por qué depender del tamaño del espacio necesario para la batería. Las baterías de película delgada se pueden colocar en el interior de la carcasa o de alguna otra forma conveniente. Existen muchas oportunidades en las que utilizar este tipo de baterías.
La batería de iones de litio de película delgada puede servir como dispositivo de almacenamiento de la energía recolectada de fuentes renovables con una tasa de generación variable, como una célula solar o una turbina eólica . Se puede hacer que estas baterías tengan una tasa de autodescarga baja, lo que significa que se pueden almacenar durante largos períodos de tiempo sin una pérdida importante de la energía que se utilizó para cargarlas. Estas baterías completamente cargadas podrían usarse para alimentar algunas o todas las demás aplicaciones potenciales que se enumeran a continuación, o proporcionar energía más confiable a una red eléctrica para uso general.
Las tarjetas inteligentes tienen el mismo tamaño que una tarjeta de crédito, pero contienen un microchip que se puede utilizar para acceder a información, dar autorización o procesar una solicitud. Estas tarjetas pueden pasar por duras condiciones de producción, con temperaturas en el rango de 130 a 150 °C, para completar los procesos de laminación a alta temperatura y alta presión. [10] Estas condiciones pueden provocar que otras baterías fallen debido a la desgasificación o degradación de los componentes orgánicos dentro de la batería. Se ha demostrado que las baterías de iones de litio de película fina soportan temperaturas de -40 a 150 °C. [9] Este uso de baterías de iones de litio de película delgada es esperanzador para otras aplicaciones de temperaturas extremas.
Las etiquetas de identificación por radiofrecuencia se pueden utilizar en muchas aplicaciones diferentes. Estas etiquetas se pueden utilizar en embalaje, control de inventario, para verificar la autenticidad e incluso permitir o denegar el acceso a algo. Estas etiquetas de identificación pueden incluso tener otros sensores integrados para permitir monitorear el entorno físico, como la temperatura o los golpes durante el viaje o el envío. Además, la distancia necesaria para leer la información de la etiqueta depende de la potencia de la batería. Cuanto más lejos desee poder leer la información, más fuerte tendrá que ser la salida y, por lo tanto, mayor será la fuente de alimentación para lograr esta salida. A medida que estas etiquetas se vuelven cada vez más complejas, los requisitos de batería deberán mantenerse al día. Las baterías de iones de litio de película delgada han demostrado que pueden encajar en los diseños de las etiquetas debido a la flexibilidad de la batería en tamaño y forma y son lo suficientemente potentes para lograr los objetivos de la etiqueta. Los métodos de producción de bajo costo, como la laminación rollo a rollo, de estas baterías pueden incluso permitir que este tipo de tecnología de identificación por radiofrecuencia se implemente en aplicaciones desechables. [3]
Se han sintetizado películas delgadas de LiCoO 2 en las que la reflexión de rayos X más intensa es débil o falta, lo que indica un alto grado de orientación preferida. Las baterías de estado sólido de película delgada con estas películas catódicas texturizadas pueden ofrecer capacidades prácticas a altas densidades de corriente. Por ejemplo, para una de las celdas, el 70% de la capacidad máxima entre 4,2 V y 3 V (aproximadamente 0,2 mAh/cm 2 ) se entregó a una corriente de 2 mA /cm 2 . Cuando se ciclaron a velocidades de 0,1 mA/cm 2 , la pérdida de capacidad fue del 0,001 %/ciclo o menos. La confiabilidad y el rendimiento de las baterías de película delgada LiCoO 2 las hacen atractivas para su aplicación en dispositivos implantables como estimuladores neuronales, marcapasos y desfibriladores .
Los dispositivos médicos implantables requieren baterías que puedan proporcionar una fuente de energía estable y confiable durante el mayor tiempo posible. Estas aplicaciones requieren una batería que tenga una tasa de autodescarga baja, para cuando no está en uso, y una tasa de potencia alta, para cuando sea necesario usarla, especialmente en el caso de un desfibrilador implantable . Además, los usuarios del producto querrán una batería que pueda pasar por muchos ciclos, por lo que estos dispositivos no tendrán que ser reemplazados ni revisados con frecuencia. Las baterías de iones de litio de película delgada tienen la capacidad de cumplir con estos requisitos. El avance de un electrolito líquido a uno sólido ha permitido que estas baterías adopten casi cualquier forma sin preocuparse por fugas, y se ha demostrado que ciertos tipos de baterías de litio recargables de película delgada pueden durar alrededor de 50.000 ciclos. [11] Otra ventaja de estas baterías de película delgada es que pueden disponerse en serie para proporcionar un voltaje mayor igual a la suma de los voltajes de las baterías individuales. Este hecho se puede utilizar para reducir la “huella” de la batería, o el tamaño del espacio necesario para la batería, en el diseño de un dispositivo.
Los sensores inalámbricos deben estar en uso mientras dure su aplicación, ya sea en el envío de paquetes o en la detección de algún compuesto no deseado, o en el control del inventario en un almacén. Si el sensor inalámbrico no puede transmitir sus datos debido a que la batería tiene poca o ninguna batería, las consecuencias podrían ser graves según la aplicación. Además, el sensor inalámbrico debe ser adaptable a cada aplicación. Por lo tanto, la batería debe poder caber dentro del sensor diseñado. Esto significa que la batería deseada para estos dispositivos debe ser duradera, de tamaño específico, de bajo costo, si se van a utilizar en tecnologías desechables, y debe cumplir con los requisitos de los procesos de recolección y transmisión de datos. Una vez más, las baterías de iones de litio de película delgada han demostrado la capacidad de cumplir con todos estos requisitos.
...durante los últimos 20 años se ha buscado activamente una alternativa a los típicos LIB de base líquida. Esta alternativa utiliza un electrolito de estado sólido y, por lo tanto, se denomina batería de estado sólido o de película delgada.