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Desarrollo y progreso de la batería de litio

Shenzhen Sinoli Electronic Co., Ltd | Updated: Aug 08, 2016

La batería de iones de litio

El trabajo pionero con la batería de litio comenzó en 1912 con GN Lewis, pero no fue hasta principios de la década de 1970 cuando se comercializaron las primeras baterías de litio no recargables. el litio es el más ligero de todos los metales, tiene el mayor potencial electroquímico y proporciona la mayor densidad de energía para el peso.

 

Los intentos de desarrollar baterías recargables de litio fallaron debido a problemas de seguridad. Debido a la inestabilidad inherente del litio metálico, especialmente durante la carga, la investigación cambió a una batería de litio no metálica que utiliza iones de litio. Aunque es un poco más bajo en densidad de energía que el litio metálico, el ion de litio es seguro, siempre que se cumplan ciertas precauciones al cargar y descargar. En 1991, Sony Corporation comercializó la primera batería de iones de litio. Otros fabricantes siguieron su ejemplo.

 

La densidad de energía de iones de litio es típicamente el doble que la del níquel-cadmio estándar. Hay potencial para densidades de energía más altas. Las características de carga son razonablemente buenas y se comportan de manera similar al níquel-cadmio en términos de descarga. El alto voltaje de celda de 3.6 voltios permite diseños de paquete de batería con una sola celda. La mayoría de los teléfonos móviles actuales se ejecutan en una sola célula. Un paquete basado en níquel requeriría tres celdas de 1.2 voltios conectadas en serie.

 

El ion de litio es una batería de bajo mantenimiento, una ventaja que la mayoría de las otras químicas no pueden reclamar. No hay memoria y no se requieren ciclos programados para prolongar la vida útil de la batería. Además, la autodescarga es inferior a la mitad en comparación con el níquel-cadmio, lo que hace que el ion de litio sea muy adecuado para las modernas aplicaciones de medidores de combustible. Las células de ion de litio causan poco daño cuando se desechan.

 

A pesar de sus ventajas generales, el ion de litio tiene sus inconvenientes. Es frágil y requiere un circuito de protección para mantener una operación segura. Integrado en cada paquete, el circuito de protección limita el voltaje máximo de cada celda durante la carga y evita que el voltaje de la celda caiga demasiado bajo en la descarga. Además, la temperatura de la celda se controla para evitar temperaturas extremas. La carga máxima y la corriente de descarga en la mayoría de los paquetes están limitadas a entre 1C y 2C. Con estas precauciones, la posibilidad de que se produzca un recubrimiento metálico de litio debido a una sobrecarga prácticamente se elimina.


 

El envejecimiento es una preocupación con la mayoría de las baterías de iones de litio y muchos fabricantes no dicen nada sobre este tema. Se nota un cierto deterioro de la capacidad después de un año, ya sea que la batería esté en uso o no. La batería falla frecuentemente después de dos o tres años. Cabe señalar que otras químicas también tienen efectos degenerativos relacionados con la edad. Esto es especialmente cierto para el hidruro de níquel-metal si se expone a altas temperaturas ambiente. Al mismo tiempo, se sabe que los paquetes de iones de litio han servido durante cinco años en algunas aplicaciones.

 

Los fabricantes están mejorando constantemente el ion de litio. Las combinaciones químicas nuevas y mejoradas se presentan cada seis meses más o menos. Con un progreso tan rápido, es difícil evaluar qué tan bien envejecerá la batería revisada.

 

El almacenamiento en un lugar fresco ralentiza el proceso de envejecimiento del ion de litio (y otras sustancias químicas). Los fabricantes recomiendan temperaturas de almacenamiento de 15 ° C (59 ° F). Además, la batería debe cargarse parcialmente durante el almacenamiento. El fabricante recomienda una carga del 40%.

 

La batería de iones de litio más económica en términos de relación costo-energía es la cilíndrica 18650 (el tamaño es de 18 mm x 65,2 mm). Esta celda se utiliza para la informática móvil y otras aplicaciones que no exigen una geometría ultradelgada. Si se requiere un paquete delgado, la celda prismática de iones de litio es la mejor opción. Estas células tienen un costo mayor en términos de energía almacenada.

Ventajas

Alta densidad de energía - Li-ion aún mayor capacidad dentro del mismo tamaño en comparación con otras baterías químicas.
 

Una carga regular en cualquier momento y sin efecto de memoria si la carga fallida en el camino se dispara a la carga principal.
 

Autodescarga relativamente baja, que es menos de la mitad que las baterías basadas en níquel.
 

Bajo mantenimiento: no se necesita una descarga periódica.
 

Las células especiales pueden proporcionar una corriente muy alta a aplicaciones tales como herramientas eléctricas.


Limitaciones

Requiere circuito de protección para mantener el voltaje y la corriente dentro de los límites de seguridad.

 

Sujeto a envejecimiento, incluso si no se usa, el almacenamiento en un lugar fresco con un 40% de carga reduce el efecto del envejecimiento.
 

Restricciones de transporte: el envío de cantidades mayores puede estar sujeto a control reglamentario. Esta restricción no se aplica a las baterías personales de mano.
 

Caro para la fabricación: aproximadamente un 40 por ciento más costoso que el níquel cadmio.
 

No está completamente maduro: los metales y los productos químicos están cambiando de forma continua.


La batería de polímero de litio

El polímero de litio se diferencia de los sistemas de batería convencionales en el tipo de electrolito utilizado. El diseño original, que data de la década de 1970, utiliza un electrolito sólido de polímero seco. Este electrolito se asemeja a una película de plástico que no conduce electricidad pero permite el intercambio de iones (átomos con carga eléctrica o grupos de átomos). El electrolito de polímero reemplaza el separador poroso tradicional, que se empapa con electrolito.

El diseño de polímero seco ofrece simplificaciones con respecto a la fabricación, robustez, seguridad y geometría de perfil delgado. Con un grosor de celda que mide tan solo un milímetro (0.039 pulgadas), los diseñadores de equipos se dejan a su propia imaginación en términos de forma, forma y tamaño.

Desafortunadamente, el polímero de litio seco adolece de mala conductividad. La resistencia interna es demasiado alta y no puede proporcionar los estallidos actuales necesarios para alimentar los dispositivos de comunicación modernos y activar los discos duros de los equipos informáticos móviles. Calentar la celda a 60 ° C (140 ° F) y más aumenta la conductividad, un requisito que no es adecuado para aplicaciones portátiles.

Para comprometerse, se ha agregado algo de electrolito gelificado. Las celdas comerciales utilizan una membrana separadora / electrolítica preparada a partir del mismo separador de polietileno poroso o polipropileno tradicional lleno con un polímero, que gelifica al llenarse con el electrolito líquido. Por lo tanto, las células comerciales de polímeros de iones de litio son muy similares en química y materiales a sus contrapartes de electrolitos líquidos.

El polímero de ion de litio no se ha desarrollado tan rápido como algunos analistas esperaban. Su superioridad a otros sistemas y los bajos costos de fabricación no se han realizado. No se logran mejoras en las ganancias de capacidad; de hecho, la capacidad es ligeramente menor que la de la batería estándar de iones de litio. El polímero de iones de litio encuentra su nicho de mercado en geometrías delgadas como obleas, como baterías para tarjetas de crédito y otras aplicaciones similares.

Ventajas

Muy bajo perfil: las baterías que se asemejan al perfil de una tarjeta de crédito son factibles.

Factor de forma flexible: los fabricantes no están sujetos a formatos de celda estándar. Con un gran volumen, cualquier tamaño razonable puede producirse de forma económica.

Los electrolitos gelificados livianos permiten un empaque simplificado al eliminar la carcasa metálica.

Seguridad mejorada: más resistente a la sobrecarga; menos posibilidad de fuga de electrolito.

Limitaciones

Menor densidad de energía y menor recuento de ciclos en comparación con el ion de litio.

Caro para fabricar.

Sin tamaños estándar. La mayoría de las células se producen para mercados de consumo de gran volumen.

Mayor relación costo-energía que el ion de litio

Restricciones en el contenido de litio para viajes aéreos

Los viajeros aéreos preguntan: "¿Cuánto litio en una batería puedo subir a bordo?" Diferenciamos entre dos tipos de baterías: Lithium metal y lithium-ion.
La mayoría de las baterías de metal de litio no son recargables y se utilizan en cámaras de película. Los paquetes de iones de litio son recargables y admiten computadoras portátiles, teléfonos celulares y videocámaras. Ambos tipos de batería, incluidos los paquetes de repuesto, están permitidos como equipaje de mano pero no pueden exceder el siguiente contenido de litio:
- 2 gramos para baterías de metal de litio o de aleación de litio
- 8 gramos para baterías de iones de litio

Las baterías de ion de litio que excedan los 8 gramos pero no más de 25 gramos pueden transportarse en el equipaje de mano si están protegidas individualmente para evitar cortocircuitos y están limitadas a dos baterías de repuesto por persona.

¿Cómo sé el contenido de litio de una batería de iones de litio? Desde una perspectiva teórica, no hay litio metálico en una batería típica de iones de litio. Sin embargo, hay contenido de litio equivalente que debe considerarse. Para una celda de iones de litio, esto se calcula a 0.3 veces la capacidad nominal (en amperios-horas).

Ejemplo: Una celda de iones de litio 2Ah 18650 tiene 0.6 gramos de contenido de litio. En una típica batería de computadora portátil de 60 Wh con 8 celdas (4 en serie y 2 en paralelo), esto suma 4,8 g. Para mantenerse por debajo del límite de 8 gramos de las Naciones Unidas, la batería más grande que puede llevar es de 96 Wh. Este paquete podría incluir 2.2Ah células en una disposición de 12 células (4s3p). Si se utilizara la celda 2.4Ah en su lugar, el paquete necesitaría estar limitado a 9 celdas (3s3p).

Restricciones en el envío de baterías de iones de litio

Cualquier persona que envíe baterías de iones de litio a granel es responsable de cumplir con las normas de transporte. Esto se aplica a envíos nacionales e internacionales por tierra, mar y aire.
 

Las celdas de iones de litio cuyo contenido de litio equivalente exceda 1,5 gramos u 8 gramos por paquete de baterías se deben enviar como "material peligroso misceláneo Clase 9". La capacidad de la celda y el número de celdas en un paquete determinan el contenido de litio.
 

Se da una excepción a los paquetes que contienen menos de 8 gramos de contenido de litio. Sin embargo, si un envío contiene más de 24 celdas de litio o 12 paquetes de baterías de iones de litio, se requerirán marcas especiales y documentos de envío. Cada paquete debe estar marcado que contiene baterías de litio.
 

Todas las baterías de iones de litio se deben probar de acuerdo con las especificaciones detalladas en ONU 3090 independientemente del contenido de litio (manual de Pruebas y Criterios de la ONU, Parte III, subsección 38.3). Esta precaución protege contra el envío de baterías defectuosas.
 

Las celdas y las baterías deben estar separadas para evitar cortocircuitos y empacadas en cajas fuertes.


Un par de: 18650 batería de iones de litio borrada

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