A menudo hablamos de baterías de litio ternario o baterías de hierro-litio, que reciben el nombre del material activo positivo. Los seis tipos comunes de baterías de litio incluyen: óxido de litio y cobalto, manganato de litio, manganato de litio, níquel y cobalto (NCM), aluminato de litio, níquel y cobalto (NCA), fosfato de litio y hierro y titanato de litio.

1. Óxido de cobalto de litio (LiCoO2)

Su alta energía específica hace que el óxido de cobalto y litio sea una opción popular para teléfonos celulares, computadoras portátiles y cámaras digitales. Las desventajas del óxido de cobalto y litio son una vida útil relativamente corta, una baja estabilidad térmica y una capacidad de carga limitada (potencia específica). Al igual que otras baterías de iones de litio híbridas de cobalto, el óxido de cobalto y litio utiliza un ánodo de grafito y su ciclo de vida está limitado principalmente por la interfaz de electrolito sólido (SEI), que se manifiesta principalmente en el engrosamiento gradual de la película SEI y el revestimiento del electrodo negativo. durante la carga rápida o la carga a baja temperatura. Problema de litio. Los sistemas de materiales más nuevos agregan níquel, manganeso y/o aluminio para mejorar la vida útil, la capacidad de carga y reducir los costos.

El óxido de cobalto y litio sobresale en energía específica alta, pero solo proporciona un rendimiento mediocre en términos de características de potencia, seguridad y ciclo de vida.

2. Manganato de litio (LiMn2O4) Las

baterías de manganato de litio Spinel se publicaron por primera vez en Materials Research en 1983. En 1996, Moli Energy comercializó baterías de iones de litio con manganato de litio como material catódico. La arquitectura forma una estructura de espinela tridimensional que mejora el flujo de iones a través de los electrodos, lo que reduce la resistencia interna y mejora la capacidad de transporte de corriente. Otra ventaja de la espinela es la alta estabilidad térmica y la seguridad mejorada, pero el ciclo y la vida útil son limitados.

La baja resistencia interna de la batería permite una carga rápida y una descarga de alta corriente. Las celdas tipo 18650, las baterías de manganato de litio se pueden descargar a una corriente de 20-30 A con una acumulación moderada de calor, y la temperatura de la batería no puede exceder los 80 °C. El manganato de litio se utiliza en herramientas eléctricas, dispositivos médicos y vehículos híbridos y eléctricos puros. La capacidad del manganato de litio es aproximadamente un tercio menor que la del cobaltato de litio. La flexibilidad del diseño permite a los ingenieros elegir maximizar la vida útil de la batería o aumentar la capacidad o la corriente de carga máxima.

Las baterías de manganato de litio puro ya no son comunes en la actualidad; sólo se utilizan en casos especiales.

La mayor parte del manganato de litio se mezcla con óxido de cobalto de litio, níquel, manganeso (NMC) para aumentar la energía específica y prolongar la vida. Esta combinación saca el mejor rendimiento de cada sistema, y ​​la mayoría de los vehículos eléctricos como Nissan Leaf, Chevrolet Volt y BMW i3 optan por LMO (NMC). La parte LMO de la batería puede alcanzar alrededor del 30 % y puede proporcionar una corriente más alta durante la aceleración; la parte NMC proporciona un largo alcance.

La investigación de baterías de iones de litio tiende a combinar manganato de litio con cobalto, níquel, manganeso y/o aluminio como materiales de cátodo activo. En algunas arquitecturas, se agrega una pequeña cantidad de silicio al electrodo negativo. Esto proporciona un aumento de capacidad del 25 %; sin embargo, el silicio se expande y se contrae con la carga y la descarga, lo que provoca tensión mecánica, y el aumento de la capacidad suele estar estrechamente relacionado con un ciclo de vida corto.

3. Manganato de litio, níquel y cobalto (NMC)

Uno de los sistemas de iones de litio más exitosos es la combinación de cátodos de níquel manganeso cobalto (NMC). Similar al manganato de litio, este sistema se puede adaptar para su uso como batería de energía o potencia. Por ejemplo, un NMC en una batería 18650 en condiciones de carga moderada tiene una capacidad de aproximadamente 2800 mAh y puede proporcionar una corriente de descarga de 4 A a 5 A; el mismo tipo de NMC, cuando está optimizado para una potencia específica, tiene una capacidad de solo 2000 mAh, pero puede proporcionar 20 A de corriente de descarga continua. El electrodo negativo a base de silicio alcanzará más de 4000 mAh, pero la capacidad de carga se reduce y el ciclo de vida se acorta. El silicio agregado al grafito tiene el defecto de que el electrodo negativo se expande y se contrae con la carga y la descarga, lo que hace que la batería se estrese mecánicamente y sea estructuralmente inestable.

El secreto de NMC es la combinación de níquel y manganeso. Similar a esto es la sal de mesa, donde los componentes principales de sodio y cloruro son tóxicos por sí solos, pero se mezclan como sal de condimentos y conservantes de alimentos. El níquel es conocido por su alta energía específica pero poca estabilidad; la estructura de espinela de manganeso puede lograr una resistencia interna baja pero una energía específica baja. Las ventajas de los dos metales activos son complementarias.

NMC es la batería elegida para herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas y otros sistemas de propulsión eléctricos. La combinación de electrodos positivos suele ser un tercio de níquel, un tercio de manganeso y un tercio de cobalto, también conocido como 1-1-1. Esto proporciona una mezcla única que también reduce los costos de materia prima debido a la reducción del contenido de cobalto. Otra combinación exitosa es NCM, que contiene 5 partes de níquel, 3 partes de cobalto.