Una batería de iones de litio o batería de iones de litio (abreviada como LIB) es un tipo de batería recargable.Las baterías de iones de litio se usan comúnmente para dispositivos electrónicos portátiles y vehículos eléctricos y están creciendo en popularidad para aplicaciones militares y aeroespaciales.Akira Yoshino desarrolló un prototipo de batería de iones de litio en 1985, basado en investigaciones anteriores de John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami y Koichi Mizushima durante las décadas de 1970 y 1980, y luego una batería comercial de iones de litio fue desarrollada por un El equipo de Sony y Asahi Kasei dirigido por Yoshio Nishi en 1991. En 2019, Yoshino, Goodenough y Whittingham recibieron el Premio Nobel de Química “por el desarrollo de baterías de iones de litio”.

En las baterías, los iones de litio se mueven desde el electrodo negativo a través de un electrolito hasta el electrodo positivo durante la descarga y regresan durante la carga.Las baterías de iones de litio utilizan un compuesto de litio intercalado como material en el electrodo positivo y, por lo general, grafito en el electrodo negativo.Las baterías tienen una alta densidad de energía, sin efecto memoria (aparte de las celdas LFP) y baja autodescarga.Sin embargo, pueden ser un peligro para la seguridad, ya que contienen electrolitos inflamables y, si se dañan o se cargan incorrectamente, pueden provocar explosiones e incendios.Samsung se vio obligado a retirar del mercado los teléfonos Galaxy Note 7 luego de incendios de iones de litio, y ha habido varios incidentes relacionados con baterías en Boeing 787.

Las características de química, rendimiento, costo y seguridad varían según los tipos de LIB.Los dispositivos electrónicos de mano utilizan principalmente baterías de polímero de litio (con un gel de polímero como electrolito) con óxido de cobalto de litio (LiCoO2) como material de cátodo, que ofrece una alta densidad de energía, pero presenta riesgos de seguridad, especialmente cuando está dañado.El fosfato de litio y hierro (LiFePO4), el óxido de litio y manganeso (LiMn2O4, Li2MnO3 o LMO) y el óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (LiNiMnCoO2 o NMC) ofrecen una menor densidad de energía pero una vida más larga y menos probabilidades de incendio o explosión.Estas baterías se utilizan ampliamente para herramientas eléctricas, equipos médicos y otras funciones.NMC y sus derivados son ampliamente utilizados en vehículos eléctricos.

Las áreas de investigación para las baterías de iones de litio incluyen la extensión de la vida útil, el aumento de la densidad de energía, la mejora de la seguridad, la reducción de costos y el aumento de la velocidad de carga, entre otras.Se han realizado investigaciones en el área de los electrolitos no inflamables como un camino hacia una mayor seguridad basada en la inflamabilidad y la volatilidad de los solventes orgánicos usados ​​en el electrolito típico.Las estrategias incluyen baterías acuosas de iones de litio, electrolitos sólidos cerámicos, electrolitos poliméricos, líquidos iónicos y sistemas fuertemente fluorados.

Batería versus celda

Una celda es una unidad electroquímica básica que contiene los electrodos, el separador y el electrolito.

Una batería o paquete de baterías es una colección de celdas o ensamblajes de celdas, con alojamiento, conexiones eléctricas y posiblemente componentes electrónicos para control y protección.

Electrodos de ánodo y cátodo
Para las pilas recargables, el término ánodo (o electrodo negativo) designa el electrodo donde tiene lugar la oxidación durante el ciclo de descarga;el otro electrodo es el cátodo (o electrodo positivo).Durante el ciclo de carga, el electrodo positivo se convierte en ánodo y el electrodo negativo en cátodo.Para la mayoría de las celdas de iones de litio, el electrodo de óxido de litio es el electrodo positivo;para las celdas de iones de litio de titanato (LTO), el electrodo de óxido de litio es el electrodo negativo.

Historia

Antecedentes

Batería de iones de litio Varta, Museo Autovision, Altlussheim, Alemania
Las baterías de litio fueron propuestas por el químico británico y co-ganador del premio Nobel de química 2019 M. Stanley Whittingham, ahora en la Universidad de Binghamton, mientras trabajaba para Exxon en la década de 1970.Whittingham usó sulfuro de titanio (IV) y litio metálico como electrodos.Sin embargo, esta batería de litio recargable nunca podría hacerse práctica.El disulfuro de titanio fue una mala elección, ya que debe sintetizarse en condiciones completamente selladas, y también es bastante costoso (~ $ 1,000 por kilogramo de materia prima de disulfuro de titanio en la década de 1970).Cuando se expone al aire, el disulfuro de titanio reacciona para formar compuestos de sulfuro de hidrógeno, que tienen un olor desagradable y son tóxicos para la mayoría de los animales.Por esta y otras razones, Exxon interrumpió el desarrollo de la batería de disulfuro de litio-titanio de Whittingham.[28]Las baterías con electrodos de litio metálico presentaban problemas de seguridad, ya que el metal de litio reacciona con el agua y libera gas hidrógeno inflamable.En consecuencia, la investigación pasó a desarrollar baterías en las que, en lugar de litio metálico, solo estén presentes compuestos de litio, capaces de aceptar y liberar iones de litio.

La intercalación reversible en grafito y la intercalación en óxidos catódicos fue descubierta durante 1974–76 por JO Besenhard en TU Munich.Besenhard propuso su aplicación en celdas de litio.La descomposición de electrolitos y la cointercalación de solventes en grafito fueron graves inconvenientes tempranos para la vida útil de la batería.

Desarrollo

1973: Adam Heller propuso la batería de cloruro de tionilo de litio, que todavía se usa en dispositivos médicos implantados y en sistemas de defensa donde se requiere una vida útil superior a 20 años, alta densidad de energía y/o tolerancia a temperaturas de funcionamiento extremas.
1977: Samar Basu demostró la intercalación electroquímica de litio en grafito en la Universidad de Pensilvania.Esto condujo al desarrollo de un electrodo de grafito intercalado de litio funcional en Bell Labs (LiC6) para proporcionar una alternativa a la batería de electrodos de metal de litio.
1979 – Trabajando en grupos separados, Ned A. Godshall et al., y, poco después, John B. Goodenough (Universidad de Oxford) y Koichi Mizushima (Universidad de Tokio), demostraron una celda de litio recargable con voltaje en el rango de 4 V usando litio. dióxido de cobalto (LiCoO2) como electrodo positivo y litio metálico como electrodo negativo.Esta innovación proporcionó el material de electrodo positivo que permitió las primeras baterías comerciales de litio.LiCoO2 es un material de electrodo positivo estable que actúa como donante de iones de litio, lo que significa que se puede utilizar con un material de electrodo negativo que no sea metal de litio.Al permitir el uso de materiales de electrodos negativos estables y fáciles de manejar, LiCoO2 permitió nuevos sistemas de baterías recargables.Godshall et al.identificó además el valor similar de los óxidos de metales de transición de litio compuestos ternarios, como la espinela LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 y LiFe5O4 (y más tarde materiales de cátodo de óxido de litio-cobre y litio-níquel en 1985)
1980: Rachid Yazami demostró la intercalación electroquímica reversible de litio en grafito e inventó el electrodo de grafito de litio (ánodo).Los electrolitos orgánicos disponibles en ese momento se descompondrían durante la carga con un electrodo negativo de grafito.Yazami utilizó un electrolito sólido para demostrar que el litio podía intercalarse de forma reversible en el grafito a través de un mecanismo electroquímico.A partir de 2011, el electrodo de grafito de Yazami era el electrodo más utilizado en las baterías comerciales de iones de litio.
El electrodo negativo tiene su origen en el PAS (material semiconductor poliacénico) descubierto por Tokio Yamabe y más tarde por Shjzukuni Yata a principios de la década de 1980.La semilla de esta tecnología fue el descubrimiento de polímeros conductores por parte del profesor Hideki Shirakawa y su grupo, y también se podría considerar que partió de la batería de iones de litio de poliacetileno desarrollada por Alan MacDiarmid y Alan J. Heeger et al.
1982 - Godshall et al.recibieron la patente estadounidense 4.340.652 por el uso de LiCoO2 como cátodos en baterías de litio, según el Ph.D. de la Universidad de Stanford de Godshall.disertación y publicaciones de 1979.
1983: Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David y John Goodenough desarrollaron una espinela de manganeso como material de cátodo cargado comercialmente relevante para baterías de iones de litio.
1985: Akira Yoshino ensambló una celda prototipo utilizando material carbonoso en el que se podían insertar iones de litio como un electrodo y óxido de cobalto y litio (LiCoO2) como el otro.Esto mejoró drásticamente la seguridad.LiCoO2 permitió la producción a escala industrial y permitió la batería comercial de iones de litio.
1989: Arumugam Manthiram y John B. Goodenough descubrieron la clase de cátodos polianión.Demostraron que los electrodos positivos que contienen polianiones, por ejemplo, sulfatos, producen voltajes más altos que los óxidos debido al efecto inductivo del polianión.Esta clase de polianiones contiene materiales como el fosfato de hierro y litio.

<continuará…>