Una batería de polímero de litio , o más correctamente batería de polímero de iones de litio (abreviada como LiPo , LIP , Li-poly , Lithium-poly y otras), es una batería recargable de tecnología de iones de litio que utiliza un electrolito polimérico en lugar de un electrolito líquido. Este electrolito está formado por polímeros semisólidos ( gel ) altamente conductores . Estas baterías proporcionan una energía específica mayor que otros tipos de baterías de litio y se utilizan en aplicaciones donde el peso es una característica crítica, como dispositivos móviles , aviones radiocontrolados y algunos vehículos eléctricos . [2]
Las celdas de polímero de litio siguen la historia de las celdas de iones de litio y de metal de litio que fueron objeto de extensas investigaciones durante la década de 1980, alcanzando un hito significativo con la primera celda cilíndrica comercial de iones de litio de Sony en 1991. Después de eso, evolucionaron otras formas de empaque, incluyendo el formato de bolsa plana. [3]
Las celdas de polímero de litio han evolucionado a partir de baterías de iones de litio y de metal de litio. La principal diferencia es que en lugar de utilizar un electrolito líquido de sal de litio (como hexafluorofosfato de litio , LiPF 6 ) contenido en un disolvente orgánico (como EC / DMC / DEC ), la batería utiliza un electrolito de polímero sólido (SPE) como polietilenglicol (PEG), poliacrilonitrilo (PAN), poli(metacrilato de metilo) (PMMA) o poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF).
En la década de 1970, el diseño de polímero original utilizaba un electrolito de polímero seco sólido que se asemejaba a una película similar al plástico, reemplazando el separador poroso tradicional que está empapado con electrolito.
El electrolito sólido normalmente se puede clasificar en uno de tres tipos: SPE seco, SPE gelificado y SPE poroso. El SPE seco fue el primero utilizado en prototipos de baterías, alrededor de 1978 por Michel Armand , [4] [5] y 1985 por ANVAR y Elf Aquitaine de Francia, y Hydro-Québec de Canadá. [6] A partir de 1990, varias organizaciones como Mead y Valence en Estados Unidos y GS Yuasa en Japón desarrollaron baterías utilizando SPEs gelificados. [6] En 1996, Bellcore en los Estados Unidos anunció una celda de polímero de litio recargable que utilizaba SPE poroso. [6]
Una celda típica tiene cuatro componentes principales: electrodo positivo , electrodo negativo, separador y electrolito . El propio separador puede ser un polímero , como una película microporosa de polietileno (PE) o polipropileno (PP); por lo tanto, incluso cuando la celda tenga un electrolito líquido, seguirá conteniendo 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 polimérico 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 metálico 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 Li usan electrolitos líquidos.
Al igual que otras celdas de iones de litio, las LiPo funcionan según el principio de intercalación y desintercalación de iones de litio de un material de electrodo positivo y un material de electrodo negativo, con el electrolito líquido proporcionando un medio conductor. Para evitar que los electrodos se toquen directamente entre sí, hay un separador microporoso en el medio que permite que sólo los iones y no las partículas de los electrodos migren de un lado a otro.
El voltaje de una sola celda LiPo depende de su química y varía desde aproximadamente 4,2 V (completamente cargada) hasta aproximadamente 2,7-3,0 V (completamente descargada), donde el voltaje nominal es 3,6 o 3,7 voltios (aproximadamente el valor medio de los valores más alto y más bajo). valor) para pilas basadas en óxidos metálicos de litio (como LiCoO 2 ). Esto se compara con 3,6–3,8 V (cargados) y 1,8–2,0 V (descargados) para aquellos basados en fosfato de hierro y litio (LiFePO 4 ).
Los voltajes nominales exactos deben especificarse en las hojas de datos del producto, en el entendido de que las celdas deben estar protegidas por un circuito electrónico que no les permita sobrecargarse ni descargarse excesivamente durante el uso.
Los paquetes de baterías LiPo , 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 alcancen el mismo estado de carga (SOC).
A diferencia de las celdas cilíndricas y prismáticas de iones de litio, que tienen una carcasa metálica rígida, las celdas LiPo tienen una carcasa flexible de tipo lámina ( laminado de polímero ), por lo que están relativamente libres. Una presión moderada sobre el apilamiento 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 deformación, lo que se asocia con un aumento de la impedancia y degradación de la celda. [9] [10]
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Las células LiPo ofrecen a los fabricantes ventajas convincentes. Pueden producir fácilmente baterías de casi cualquier forma deseada. Así se pueden satisfacer, por ejemplo, los requisitos de espacio y peso de los dispositivos móviles y los ordenadores portátiles . También tienen una baja tasa de autodescarga, aproximadamente el 5% mensual. [11]
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Las baterías LiPo son ahora casi omnipresentes cuando se utilizan para alimentar drones comerciales y de hobby ( vehículos aéreos no tripulados ), aviones radiocontrolados , automóviles radiocontrolados y modelos de trenes a gran escala, donde las ventajas de un menor peso y una mayor capacidad y entrega de energía justifican el precio. . Los informes de pruebas advierten del riesgo de incendio cuando las baterías no se utilizan de acuerdo con las instrucciones. [12]
El voltaje para el almacenamiento prolongado de la batería LiPo utilizada en el modelo R/C debe ser de 3,6 ~ 3,9 V por celda; de lo contrario, podría dañar la batería. [13]
Los paquetes de LiPo también tienen un uso generalizado en airsoft , donde sus corrientes de descarga más altas y su mejor densidad de energía en comparación con las baterías de NiMH más tradicionales tienen una ganancia de rendimiento muy notable (mayor velocidad de disparo).
Las baterías LiPo son omnipresentes en dispositivos móviles , bancos de energía , 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 factores de forma pequeños y la alta densidad de energía supera el costo. consideraciones.
Hyundai Motor Company utiliza este tipo de batería en algunos de sus vehículos eléctricos e híbridos de batería , [14] así como Kia Motors en su Kia Soul eléctrico de batería . [15] El Bolloré Bluecar , que se utiliza en sistemas de coche compartido en varias ciudades, también utiliza este tipo de batería.
Las baterías de iones de litio son cada vez más habituales en los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS). Ofrecen numerosos beneficios sobre la batería VRLA tradicional y con las mejoras de estabilidad y 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 crítica, incluidos los centros de datos donde el espacio suele ser escaso. [16] El ciclo de vida más largo, la energía utilizable (profundidad de descarga) y la fuga térmica también se consideran un beneficio del uso de baterías Li-po en lugar de baterías VRLA.
La batería utilizada 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 utiliza tres o seis baterías LiPo en serie (3S1P/6S1P) para arrancar el vehículo en caso de emergencia, en lugar de los otros arrancadores. métodos . El precio de un arrancador de plomo-ácido es menor, pero son más grandes y pesados que las baterías de litio comparables, por lo que dichos productos han cambiado en su mayoría a baterías LiPo o, a veces, a baterías de fosfato de hierro y litio.
Todas las celdas de iones de litio se expanden a niveles elevados 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 de las capas internas de la celda, lo que a su vez reduce la confiabilidad y el ciclo de vida general de la celda. [9] Esto es muy notable en el caso de los LiPos, que pueden inflarse visiblemente debido a la falta de un estuche rígido para contener su expansión. Las características de seguridad de las baterías de polímero de litio son diferentes a las de las baterías de fosfato de hierro y litio .
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 una mayor resistencia a las variaciones en el volumen de los electrodos durante los procesos de carga y descarga y características de seguridad mejoradas. Excelente flexibilidad y procesabilidad.
El electrolito polimérico sólido se define inicialmente como una matriz polimérica hinchada con sales de litio, que ahora se denomina electrolito polimérico sólido seco. [17] Las sales de litio se disuelven en la matriz polimérica para proporcionar conductividad iónica. Debido a su fase física, existe 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 electrolito gelificado, lo que da como resultado la formación de GPE. Los GPE se forman incorporando un electrolito líquido orgánico en la matriz polimérica. El electrolito líquido queda atrapado por una pequeña cantidad de red polimérica, por lo que las propiedades del GPE se caracterizan por propiedades entre las de los electrolitos líquidos y sólidos. [18] El mecanismo de conducción es similar para electrolitos líquidos y geles poliméricos, pero los GPE tienen una mayor estabilidad térmica y una naturaleza poco volátil, lo que también contribuye aún más a la seguridad. [19]
Las células con electrolitos de polímeros sólidos no han alcanzado su plena comercialización [21] y siguen siendo un tema de investigación. [22] Las celdas prototipo de este tipo podrían considerarse 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 sencillo es utilizar una matriz polimérica, como fluoruro de polivinilideno (PVdF) o poli(acrilonitrilo) (PAN), gelificada con sales y disolventes 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 gelificado (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 las baterías de polímero los electrolitos 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 poliméricos "verdaderos", sino más bien como sistemas híbridos donde el líquido Las fases están contenidas dentro de la matriz polimérica. [23] Aunque estos electrolitos poliméricos pueden estar secos al tacto, aún pueden contener entre un 30 % y un 50 % de disolvente líquido. [26] En este sentido, cómo definir realmente qué es una "batería de polímero" sigue siendo una cuestión abierta.
Otros términos utilizados en la literatura para este sistema incluyen electrolito de polímero híbrido (HPE), donde "híbrido" denota la combinación de la matriz polimérica, el disolvente líquido y la sal. [27] Fue un sistema como este el que Bellcore utilizó para desarrollar una de las primeras celdas de polímero de litio en 1996, [28] que se denominó celda "plástica" de iones de litio (PLiON) y posteriormente se comercializó en 1999. [27]
Un electrolito de polímero sólido (SPE) es una solución salina 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 exhibe un rendimiento más prometedor como disolvente 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 cationes Li + . PEO también está disponible comercialmente a un costo muy razonable. [17]
El rendimiento de estos electrolitos propuestos suele medirse en una configuración de media celda frente a un electrodo de litio metálico , lo que convierte al sistema en una celda " litio-metal ", pero también se ha probado con un material catódico de iones de litio común como el litio. -fosfato de hierro (LiFePO 4 ).
Otros intentos de diseñar una celda de electrolito polimérico incluyen el uso de líquidos iónicos inorgánicos como el tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazolio ([BMIM]BF 4 ) como plastificante en una matriz polimérica microporosa como el poli(fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno). /poli(metacrilato de metilo) (PVDF-HFP/PMMA). [31]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )Todavía no he oído hablar de un LiPo que se incendiara durante el almacenamiento. Todos los incidentes de incendio que conozco ocurrieron durante la carga o descarga de la batería. De esos casos, la mayoría de los problemas ocurrieron durante la carga. En esos casos, la falla generalmente recaía en el cargador o en la persona que lo operaba... pero no siempre.
