Casi todos los dispositivos modernos están unidos por un detalle: tienen una batería recargable. Y su capacidad sigue siendo uno de los criterios principales al elegir un dispositivo. Vivimos en una era de movilidad, y los requisitos de batería crecen cada año.
Las baterías de las computadoras portátiles (y muchas otras) consisten en elementos de energía dispuestos en celdas conectadas entre sí. Las computadoras portátiles, como la mayoría de los otros dispositivos móviles, funcionan con baterías de iones de litio o de polímero de litio.
Pocas personas piensan en lo difícil que es crear una batería que cumpla con los requisitos de la época. Hoy aprenderá cómo se producen a escala industrial ... comenzando con elementos químicos.
Iones de litio - iones de litio
Una batería extendida de iones de litio consiste en electrodos (un cátodo hecho de papel de aluminio y un ánodo de cobre) separados por un separador poroso impregnado con un electrolito líquido. El paquete de electrodos se coloca en un recinto sellado, los cátodos y los ánodos se conectan a los terminales del colector de corriente. La carcasa a veces está equipada con una válvula de seguridad que alivia la presión interna en caso de emergencia o violación de las condiciones de operación.
Una batería recargable de iones de litio típica consta de un electrodo positivo (verde), un electrodo negativo (rojo) y una capa separadora que los separa (amarillo). Los iones de litio (Li +, azul) se mueven del electrodo negativo (ánodo) al positivo (cátodo). Durante la carga, se produce el proceso inverso, los iones de litio se transfieren al ánodo. FuenteLa batería de iones de litio tiene una alta densidad de energía, pero se descarga rápidamente cuando se usa en climas fríos y puede ser explosiva si se recarga por encima de 4,2 V. Si perfora la batería de iones de litio y crea un cortocircuito, se encenderá y se producirá un incendio muy fuerte que no puede ser fácilmente apagar usando un extintor de incendios regular. Es por eso que muchas de estas baterías están equipadas con protección especial.
Li-po - polímero de litio
La batería de polímero de litio (batería de polímero de iones de litio) es un diseño avanzado de la batería de iones de litio. En una batería de este tipo, no se usa líquido como electrolito, sino un material de polímero seco (plástico sintético). A diferencia del ion de litio, Li-po es más seguro, puede emitir fuertes corrientes y, gracias al material polimérico, puede tener cualquier grosor y forma.
Li-po y tecnología
Una computadora portátil
equipada con una batería de polímero de litio admite 3 veces más ciclos de carga (es decir, dura 3 veces más) que una computadora portátil con una batería estándar de iones de litio.
La eficiencia energética se logra no solo debido a las propiedades químicas de la batería. Si la computadora portátil permanece conectada a la carga cuando la batería ya está completamente cargada, esto puede conducir al deterioro del rendimiento de la batería y, en consecuencia, a una disminución en su vida útil. También puede hacer que la batería se hinche debido a la acumulación interna de gas causada por la oxidación y, por lo tanto, deformar o dañar la computadora portátil. Las
tecnologías de software adicionales le permiten establecer el nivel máximo de carga del 60%, 80% o 100%, para extender la vida útil de la batería y reducir la probabilidad de que se hinche.
Las computadoras portátiles también están equipadas con un mecanismo de carga rápida, con el cual la batería se carga en unas pocas decenas de minutos un poco más de la mitad.
Li-po vs Li-ion
Los electrodos positivo y negativo Li-po y Li-ion tienen una composición química similar. La principal diferencia entre los dos tipos de baterías radica en la forma en que están organizadas. Con la tecnología de iones de litio para la carcasa, solo puede elegir una carcasa de metal duro, mientras que la tecnología de polímero de litio le permite utilizar una carcasa blanda para la carcasa (plástico o papel de aluminio). Con un grosor de hasta 3 mm, Li-po tiene una ventaja en capacidad. Con un grosor de más de 3 mm, el ion de litio ofrece una importante ventaja de precio.
Existen otros tipos de baterías a base de litio: LiFePO4 - fosfato de litio-hierro, LiFeYPO4 - fosfato de litio-hierro-itrio, y otros. Se diferencian en varios aditivos que mejoran el rendimiento de la batería. Sin embargo, la mayoría de los nuevos experimentos se basan en el mismo metal, que reemplazó a las baterías de níquel-cadmio e hidruro de níquel-metal.
Litio
Muy ligero, muy suave de metal blanco plateado.El primer trabajo en el campo de la creación de una batería recargable a base de litio se inició en 1912, pero hasta la década de 1970, los experimentos no fueron más allá del laboratorio debido a la inestabilidad del litio. En la década de 1980, sobre la base de las tecnologías desarrolladas en la Universidad de Oxford, comenzaron a aparecer las primeras baterías de litio industriales, que se sobrecalentaron y fallaron rápidamente. Solo en 1991 se creó una batería en la que el metal de litio se reemplazó por una forma iónica más segura.
El litio ganó una merecida popularidad debido a sus propiedades especiales. Este es uno de los metales más ligeros de la tabla periódica, lo que realmente ayuda a mantener grandes cantidades de energía en un volumen pequeño y con poco peso. Sin embargo, la popularidad actual del litio puede conducir al agotamiento de este metal en el futuro.
La extracción de litio es un proceso laborioso, incluso en aquellas regiones donde hay mucho metal. Durante décadas, la producción comercial de litio se ha basado en fuentes de minerales como el spodumene, la petalita y la lepidolita. Sin embargo, la extracción de litio del mineral es el doble del costo de producción a partir de soluciones salinas.
Los principales depósitos de litio adecuados para el desarrollo activo se encuentran en América del Sur y China. En Rusia, el litio es más abundante en la mica que acompaña a los depósitos de tierras raras. Hasta hace poco, la extracción de litio de la mica era demasiado costosa, pero en 2017, los científicos de NUST "MISiS"
presentaron una instalación que hizo que la extracción de compuestos de litio de minerales pobres fuera dos veces más barata.
Actualmente, la mayor parte del litio se extrae de las lentes de agua naturales de los lagos de sal, en soluciones salinas saturadas en las que se concentran cloruro de litio, potasio y sodio. La solución se bombea y se evapora al sol, se procesa la mezcla resultante de sales.
Recuperación de litio
Uyuni solonchak contiene alrededor de 100 millones de toneladas de litio, o del 50 al 70% de sus reservas mundiales .
La mayor fuente de litio en Bolivia es el Uyuni solonchak, un lago salado seco ubicado a una altitud de aproximadamente 3650 m sobre el nivel del mar. Tiene una superficie de 10 588 km². La parte interna está cubierta con una capa de cloruro de sodio de 2-8 m de espesor, el cloruro de litio, que se encuentra en grandes cantidades aquí, es adecuado para la extracción de litio, y anteriormente se usaba como sustituto de la sal común. Comerlo cesó después del descubrimiento de los efectos tóxicos.
Estanque de sal de litio en Argentina.Para extraer litio, las soluciones salinas se bombean primero a la superficie en estanques especiales, donde, bajo la influencia del sol, se produce una evaporación lenta durante varios meses. Cuando el cloruro de litio en los estanques de evaporación alcanza la concentración óptima, la solución se bombea a una planta de recuperación, donde las impurezas no deseadas se eliminan de la mezcla por filtración.
La conversión de litio a metal se lleva a cabo en una celda electrolítica. El cloruro de litio se mezcla con cloruro de potasio en una proporción del 55% al 45% para producir un electrolito eutéctico fundido. Luego, el litio fundido se obtiene por electrólisis de la masa fundida a una temperatura de 600 ° C, que sube a la superficie del electrolito.
Otros elementos quimicos
Componentes del costo de las baterías de iones de litio.Dentro de la batería de iones de litio
, se pueden usar varios materiales de cátodo. Inicialmente, el cobalto era el componente principal del cátodo, pero tiene una disponibilidad limitada en la naturaleza y es tóxico, lo cual es una gran desventaja para la producción en masa. Hoy, el cobalto se reemplaza parcialmente por níquel, así como una mezcla de cobalto, níquel y manganeso.
Una batería segura y duradera necesita un electrolito confiable que pueda soportar el voltaje existente y las altas temperaturas y tenga una larga vida útil, lo que proporciona una alta movilidad de los iones de litio. Las soluciones de electrolitos
consisten en solventes orgánicos, sal de LiPF6 (hexafluorofosfato de litio) y varios aditivos.
El electrolito de alta pureza juega un papel clave en el transporte de iones de litio positivos entre el cátodo y el ánodo. Los aditivos electrolíticos
mejoran la estabilidad al evitar la degradación de la solución. La composición de los electrolitos varía según los materiales del ánodo y el cátodo utilizados, sin embargo, la elección del electrolito a menudo implica un compromiso entre la inflamabilidad y las características electroquímicas.
Los electrolitos poliméricos son polímeros conductores de iones. A menudo se mezclan en compuestos con nanopartículas de cerámica, lo que conduce a una mayor conductividad y resistencia a voltajes más altos.
En las baterías de iones de litio, se utilizan una variedad de láminas de metal como colectores de corriente: cobre, níquel o lámina de cobre catalítico. Como regla general, la lámina de cobre se coloca como un electrodo negativo para el colector de corriente anódica, y la lámina de aluminio se usa como electrodo positivo para el colector de corriente catódica.
Construir batería Li-poEl ánodo consiste en una mezcla de grafito y litio (también es posible usar compuestos intermetálicos o silicio), mientras que el cátodo combina litio y otros metales (los materiales del cátodo requieren una pureza extremadamente alta y deben limpiarse casi por completo de impurezas metálicas no deseadas: hierro, vanadio y azufre) .
El material separador de polipropileno, polietileno u otro material polimérico similar separa el cátodo del ánodo. Los separadores de la mayoría de las baterías consisten en películas plásticas muy simples que tienen el tamaño de poro correcto para permitir que los iones se muevan mientras bloquean otros elementos. En el caso del electrolito líquido, el separador es un material de espuma que está impregnado con electrolito y lo mantiene en su lugar.
Proceso de fabricación de la batería
Las bases para el ánodo y el cátodo se suministran a la fábrica en forma de
polvo negro , y para el ojo no preparado son casi indistinguibles entre sí. Polvo muy fino para lograr la máxima superficie efectiva del electrodo. La forma de partícula también es importante. Se prefieren los granos esféricos lisos con bordes redondeados, ya que los bordes afilados o las superficies escamosas son sensibles a altas cargas eléctricas.
Los ánodos y cátodos en las baterías de litio tienen la misma forma y se realizan mediante procesos similares en equipos idénticos. Pero dado que la contaminación entre los materiales del ánodo y el cátodo conducirá a la destrucción de la batería, generalmente se procesan en diferentes talleres para evitar el contacto de los materiales.
La primera etapa de producción consiste en mezclar los materiales de los electrodos y aplicar la suspensión a la superficie de la lámina. Los materiales de los electrodos activos están recubiertos en ambos lados con una lámina de metal, que actúa como un colector de corriente que conduce la corriente dentro y fuera de la celda. Luego, la lámina con materiales se seca, se corta en tiras estrechas y se dobla en varias capas. Esto requiere un monitoreo constante ya que cualquier rebaba en los bordes de las tiras de aluminio puede provocar cortocircuitos internos en las celdas.
Durante el montaje de la batería, el separador se sujeta entre el ánodo y el cátodo. Después de colocar la batería en la carcasa, se llena con electrolito y se sella. Esto debe hacerse en una "habitación seca" ya que el electrolito reacciona con el agua. La humedad descompondrá el electrolito y liberará gases tóxicos.
Los electrodos se colocan en la carcasa, dejando un agujero para agregar electrolito /Una vez que se completa el ensamblaje de la celda, debe pasar por al menos un ciclo controlado de carga / descarga. El proceso de carga comienza con un bajo voltaje, que aumenta gradualmente. Solo después de pasar la prueba, la batería sale de fábrica y continúa.
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En el futuro, sin duda, aparecerán nuevos tipos de baterías. Quizás entonces el litio permanecerá en el pasado. Mientras tanto, todavía hay muchas oportunidades para mejorar el rendimiento de las baterías existentes.