Batería de polímero de litio

Una batería de polímero de litio, o más correctamente batería de polímero de iones de litio (abreviado como LiPo, LIP, Li-poly, litio-poli y otros), es una batería recargable de tecnología de iones de litio que utiliza un electrolito polimérico en lugar de un electrolito líquido. Los polímeros semisólidos (gel) de alta conductividad forman este electrolito. Estas baterías proporcionan una energía específica más alta que otros tipos de baterías de litio y se utilizan en aplicaciones donde el peso es una característica fundamental, como dispositivos móviles, aeronaves controladas por radio y algunos vehículos eléctricos.

Historia

Las celdas LiPo siguen la historia de las celdas de iones de litio y de metal de litio que se sometieron a una investigación exhaustiva durante la década de 1980 y alcanzaron un hito significativo con la primera celda de iones de litio cilíndrica comercial de Sony en 1991. Después de eso, otros empaques las formas evolucionaron, incluido el formato de bolsa plana.

Origen y terminología del diseño

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 usar un electrolito líquido de sal de litio (como LiPF6) contenido en un solvente orgánico (como EC/DMC/DEC), la batería usa un electrolito de polímero sólido (SPE) como poli(óxido de etileno).) (PEO), poli(acrilonitrilo) (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 polimérico seco sólido que se asemejaba a una película plástica, reemplazando el separador poroso tradicional que está empapado con electrolito.

El electrolito sólido generalmente 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, y en 1985 por ANVAR y Elf Aquitaine de Francia e Hydro-Québec de Canadá. A partir de 1990, varias organizaciones como Mead and Valence en los Estados Unidos y GS Yuasa en Japón desarrollaron baterías utilizando SPE gelificados. En 1996, Bellcore en los Estados Unidos anunció una celda de polímero de litio recargable que utiliza SPE poroso.

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, aun cuando la celda tenga un electrolito líquido, seguirá conteniendo un "polímero" componente. Además de esto, el electrodo positivo se puede dividir en tres partes: el óxido de metal de transición de litio (como LiCoO₂ o LiMn₂O ₄), un aditivo conductor y un aglutinante polimérico de poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF). El material del electrodo negativo puede tener las mismas tres partes, solo que el carbono reemplaza al óxido de metal de litio. 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 LiPo usan electrolitos sólidos secos similares a gel, mientras que las celdas de iones de litio usan electrolitos líquidos.

Principio de funcionamiento

Al igual que con otras celdas de iones de litio, LiPos funciona 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 entre sí directamente, hay un separador microporoso en el medio que permite que solo los iones y no las partículas del electrodo migren de un lado al otro.

Tensión y estado de carga

El voltaje de una sola celda LiPo depende de su composición química y varía de aproximadamente 4,2 V (totalmente cargada) a aproximadamente 2,7–3,0 V (totalmente descargada), donde el voltaje nominal es de 3,6 o 3,7 voltios (aproximadamente el valor medio de valor más alto y más bajo) para celdas basadas en óxidos de metal de litio (como LiCoO₂). Esto se compara con 3,6 a 3,8 V (cargados) a 1,8 a 2,0 V (descargados) para aquellos basados en litio-hierro-fosfato (LiFePO₄).

Las clasificaciones de voltaje exactas deben especificarse en las hojas de datos del producto, con el entendimiento de que las celdas deben estar protegidas por un circuito electrónico que no permita que se sobrecarguen ni se descarguen en exceso durante el uso.

Los paquetes de baterías LiPo, con celdas conectadas en serie y en paralelo, tienen conexiones independientes para cada celda. Un cargador especializado puede monitorear la carga por celda para que todas las celdas lleguen al mismo estado de carga (SOC).

Aplicando presión sobre las células LiPo

Una batería experimental de polímero de iones de litio hecha por Lockheed-Martin para la NASA

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 de restricciones. Una presión moderada sobre la pila de capas que componen la celda da como resultado una mayor capacidad de retención, porque se maximiza el contacto entre los componentes y se evita la delaminación y la deformación, lo que se asocia con el aumento de la impedancia y la degradación de la celda.

Aplicaciones

Batería de polímero de litio hexagonal para vehículos submarinos

Las células LiPo brindan a los fabricantes ventajas convincentes. Pueden producir fácilmente baterías de casi cualquier forma deseada. Por ejemplo, se pueden cumplir los requisitos de espacio y peso de los dispositivos móviles y las computadoras portátiles. También tienen una baja tasa de autodescarga, que es de alrededor del 5% por mes.

Drones, Equipos Radiocontrolados y Aeronaves

3-Cell LiPo batería para modelos RC

Las baterías LiPo ahora son casi omnipresentes cuando se usan para alimentar drones (vehículos aéreos no tripulados) comerciales y de pasatiempo, aviones controlados por radio, automóviles controlados por radio y trenes modelo a gran escala, donde las ventajas de un peso más bajo y una mayor capacidad y suministro de energía justificar el precio. Los informes de prueba advierten del riesgo de incendio cuando las baterías no se utilizan de acuerdo con las instrucciones.

El voltaje para el almacenamiento prolongado de la batería LiPo utilizada en el modelo R/C debe ser de 3,6 a 3,9 V por celda; de lo contrario, podría dañar la batería.

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 cadencia de tiro).

Electrónica personal

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 de PC inalámbricos, cigarrillos electrónicos y otras aplicaciones donde se buscan factores de forma pequeños y alta energía. la densidad supera las consideraciones de costo.

Vehículos eléctricos

Hyundai Motor Company utiliza este tipo de batería en algunos de sus vehículos híbridos y eléctricos a batería, así como Kia Motors en su Kia Soul eléctrico a batería. El Bolloré Bluecar, que se utiliza en esquemas de carsharing en varias ciudades, también utiliza este tipo de batería.

Sistemas de alimentación ininterrumpida

Las baterías de iones de litio son cada vez más comunes en los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI). Ofrecen numerosos beneficios sobre la batería VRLA tradicional y con 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 un respaldo de energía crítico, incluidos los centros de datos donde el espacio a menudo es escaso. El ciclo de vida más largo, la energía utilizable (profundidad de descarga) y el desbocamiento térmico también se ven como un beneficio del uso de baterías Li-po en lugar de baterías VRLA.

Arrancador

La batería que se utiliza para arrancar el motor de un vehículo suele ser de 12 V o 24 V, por lo que un arrancador de batería 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 las otras métodos de arranque rápido. El precio de un arrancador de batería de plomo-ácido es menor, pero son más grandes y pesados que las baterías de litio comparables, por lo que la mayoría de estos productos han cambiado a baterías LiPo o, a veces, a baterías de fosfato de hierro y litio.

Seguridad

La batería de iones de litio de Apple iPhone 3GS, que se ha expandido debido a una falla de cortocircuito.

Todas las celdas de iones de litio se expanden a altos niveles de estado de carga (SOC) o sobrecarga, debido a la ligera vaporización del electrolito. Esto puede dar como resultado una deslaminación 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. Esto es muy notable para 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.

Electrolitos poliméricos

Los electrolitos poliméricos se pueden dividir en dos grandes categorías: electrolitos poliméricos sólidos secos (SPE) y electrolitos poliméricos en gel (GPE). 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 a lo largo de los procesos de carga y descarga, 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 conoce como electrolito polimérico sólido seco. Las sales de litio se disuelven en la matriz polimérica para proporcionar conductividad iónica. Debido a su fase física, la transferencia de iones es deficiente, lo que resulta en una conductividad deficiente a temperatura ambiente. Para mejorar la conductividad iónica a temperatura ambiente, se agrega electrolito gelificado 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 de polímero, por lo que las propiedades de GPE se caracterizan por propiedades entre las de los electrolitos líquidos y sólidos. El mecanismo de conducción es similar para los electrolitos líquidos y los geles poliméricos, pero los GPE tienen una mayor estabilidad térmica y una baja volatilidad, lo que también contribuye a la seguridad.

Esquemática de una batería de polímero de litio basada en GPEs.

Células de litio con electrolito polimérico sólido

Las celdas con electrolitos poliméricos sólidos no han alcanzado la comercialización total y siguen siendo un tema de investigación. 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.

El enfoque más simple es utilizar una matriz polimérica, como el fluoruro de polivinilideno (PVdF) o poli(acrilonitrilo) (PAN), gelificada con sales y solventes convencionales, como LiPF6 en EC/DMC/DEC.

Nishi menciona que Sony comenzó a investigar las celdas de iones de litio con electrolitos de polímero gelificado (GPE) en 1988, antes de la comercialización de la celda de iones de litio de electrolito líquido en 1991. En ese momento, las baterías de polímero eran prometedoras y parecían polímeros. los electrolitos se volverían indispensables. Eventualmente, este tipo de celda salió al mercado en 1998. Sin embargo, Scrosati argumenta que, en el sentido más estricto, las membranas gelificadas no pueden clasificarse como "verdaderas" electrolitos poliméricos, sino más bien como sistemas híbridos en los que las fases líquidas están contenidas dentro de la matriz polimérica. Aunque estos electrolitos poliméricos pueden estar secos al tacto, todavía pueden contener entre un 30 % y un 50 % de disolvente líquido. En este sentido, ¿cómo definir realmente qué es una "batería de polímero" sigue siendo una pregunta 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. Bellcore utilizó un sistema como este para desarrollar una de las primeras celdas de polímero de litio en 1996, que se denominó "plástico" celda de iones de litio (PLiON), y posteriormente comercializado en 1999.

Un electrolito polimérico 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) de alto peso molecular (PEO), un poli(carbonato de trimetileno) de alto peso molecular (PTMC), óxido de polipropileno (PPO), poli[bis(metoxi-etoxi-etoxi)fosfaceno] (MEEP), etc.

PEO exhibe el desempeño más prometedor como solvente 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 los cationes Li⁺. PEO también está disponible comercialmente a un costo muy razonable.

El rendimiento de estos electrolitos propuestos generalmente se mide en una configuración de media celda contra un electrodo de litio metálico, lo que hace que el sistema sea un "metal de litio" pero también se ha probado con un material de cátodo de iones de litio común, como el fosfato de hierro y litio (LiFePO₄).

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]BF₄) como plastificante en una matriz polimérica microporosa. como poli(fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno)/poli(metacrilato de metilo) (PVDF-HFP/PMMA).