Batería de iones de litio

Una batería de iones de litio o batería de Li-ion es un tipo de batería recargable que utiliza la intercalación reversible de iones Li ^{+ en sólidos} conductores electrónicos para almacenar energía. Existen muchas variedades diferentes, que generalmente se clasifican según los materiales utilizados en el cátodo. ^{[ 12 ]} En comparación con otros tipos de baterías recargables, generalmente tienen mayor energía específica , densidad de energía y eficiencia energética , así como una vida útil más larga en ciclos y calendario. En las tres décadas transcurridas desde que las baterías de iones de litio se comercializaron por primera vez en 1991, su densidad de energía volumétrica se triplicó, mientras que su costo se redujo diez veces. ^{[ 13 ]} A finales de 2024, la demanda global superó1 teravatio-hora  por año, ^{[ 14 ]} mientras que la capacidad de producción era más del doble. ^{[ 15 ]}

La invención y comercialización de las baterías de iones de litio ha tenido un gran impacto en la tecnología , ^{[ 16 ]} como lo reconoció el Premio Nobel de Química de 2019 , otorgado a los contribuyentes al desarrollo de las baterías de iones de litio. Las baterías de iones de litio han hecho posible la electrónica de consumo portátil , las computadoras portátiles , los teléfonos celulares y los automóviles eléctricos . Se utilizan para el almacenamiento de energía a gran escala y en aplicaciones militares y aeroespaciales. ^{[ 17 ]} Los tamaños de las baterías de iones de litio generalmente no están estandarizados (por ejemplo, al estilo de la pila AA ) y vienen en diversos y únicos factores de forma dependiendo del dispositivo y el fabricante. ^{[ 18 ]} Por lo general, tienen un voltaje nominal de 3,6 o 3,7 V. ^{[ 19 ]}

M. Stanley Whittingham concibió los electrodos de intercalación en la década de 1970 y creó la primera batería recargable de iones de litio, basada en un cátodo de disulfuro de titanio y un ánodo de litio-aluminio, aunque sufrió problemas de seguridad y nunca se comercializó. ^{[ 20 ]} John Goodenough amplió este trabajo en 1980 utilizando óxido de cobalto de litio como cátodo. ^{[ 21 ]} El primer prototipo de la batería moderna de iones de litio, que utiliza un ánodo carbonáceo en lugar de litio metálico, fue desarrollado por Akira Yoshino en 1985 y comercializado por un equipo de Sony y Asahi Kasei liderado por Yoshio Nishi en 1991. ^{[ 22 ]} Whittingham, Goodenough y Yoshino fueron galardonados con el Premio Nobel de Química de 2019 por sus contribuciones al desarrollo de las baterías de iones de litio.

Las baterías de iones de litio pueden ser un riesgo de incendio o explosión ya que contienen electrolitos inflamables. Se han realizado avances en el desarrollo y la fabricación de baterías de iones de litio más seguras. ^{[ 23 ]} Se están desarrollando baterías de estado sólido de iones de litio para eliminar el electrolito inflamable. ^{[ 24 ]} El litio y otros minerales pueden presentar problemas importantes en la minería, ya que el litio requiere mucha agua en regiones a menudo áridas y otros minerales utilizados en algunas químicas de iones de litio pueden ser minerales de conflicto como el cobalto . ^{[ 25 ]} Los problemas ambientales han impulsado a algunos investigadores a mejorar la eficiencia de los minerales y encontrar alternativas como las químicas de iones de litio de fosfato de hierro y litio o químicas de baterías no basadas en litio como las baterías de iones de sodio y hierro-aire .

Las celdas de iones de litio se pueden fabricar para optimizar la densidad de energía o la densidad de potencia . ^{[ 26 ]} Los dispositivos electrónicos portátiles utilizan principalmente baterías de polímero de litio (con un gel de polímero como electrolito), un óxido de cobalto de litio ( LiCoO₂ ) material del cátodo y unánodode grafito ^{, que juntos ofrecen una alta densidad de energía. [ 27 ] [ 28 ]} Fosfato de hierro y litio(LiFePO₄ ),óxido de manganeso de litio(LiMn₂ O₄ espinela, oLi₂ MnO₃ -materiales laminares ricos en litio a base de, LMR-NMC), yóxido de litio níquel manganeso cobalto(LiNiMnCoO₂ o NMC) pueden ofrecer una vida útil más larga y una tasa de descarga más alta. ^{[ 29 ]} El NMC y sus derivados se utilizan ampliamente en laelectrificación del transporte, una de las principales tecnologías (combinada conenergía renovable) para reducirlas emisiones de gases de efecto invernaderode los vehículos. ^{[ 30 ] [ 31 ]} El óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA) es otra química de iones de litio de alta energía comúnmente utilizada en baterías de vehículos eléctricos. ^{[ 32 ]}

Los reactivos en las reacciones electroquímicas en una celda de iones de litio son los materiales de los electrodos, ambos compuestos que contienen átomos de litio. Aunque se han investigado miles de materiales diferentes, solo un número muy pequeño es comercialmente utilizable. Todas las celdas de iones de litio comerciales utilizan compuestos de intercalación como materiales activos. ^{[ 59 ]} El electrodo negativo suele ser grafito, aunque a menudo se mezcla silicio para aumentar la capacidad. El electrolito suele ser hexafluorofosfato de litio , disuelto en una mezcla de carbonatos orgánicos . Se utilizan varios materiales diferentes para el electrodo positivo, como LiCoO ₂ , LiFePO ₄ y óxidos de litio, níquel, manganeso y cobalto .

Durante la descarga de la celda, el electrodo negativo es el ánodo y el positivo el cátodo: los electrones fluyen del ánodo al cátodo a través del circuito externo. Una semirreacción de oxidación en el ánodo produce iones de litio con carga positiva y electrones con carga negativa. Esta semirreacción también puede producir material sin carga que permanece en el ánodo. Los iones de litio se mueven a través del electrolito; los electrones se mueven a través del circuito externo hacia el cátodo, donde se recombinan con el material del cátodo en una semirreacción de reducción. El electrolito proporciona un medio conductor para los iones de litio, pero no participa en la reacción electroquímica. Las reacciones durante la descarga disminuyen el potencial químico de la celda, por lo que la descarga transfiere energía de la celda a dondequiera que la corriente eléctrica disipe su energía, principalmente en el circuito externo.

Durante la carga, estas reacciones y transportes se producen en sentido contrario: los electrones se mueven del electrodo positivo al negativo a través del circuito externo. Para cargar la pila, el circuito externo debe suministrar energía eléctrica. Esta energía se almacena como energía química en la pila (con algunas pérdidas, por ejemplo, debido a una eficiencia coulómbica inferior a 1).

Ambos electrodos permiten que los iones de litio entren y salgan de sus estructuras mediante un proceso denominado inserción ( intercalación ) o extracción ( desintercalación ), respectivamente.

Debido a que los iones de litio se "oscilan" entre los dos electrodos, estas baterías también se conocen como "baterías mecedoras" o "baterías oscilantes" (término acuñado por algunas industrias europeas). ^{[ 60 ] [ 61 ]}

Las siguientes ecuaciones ejemplifican la química (de izquierda a derecha: descarga, de derecha a izquierda: carga).

La semirreacción del electrodo negativo para el grafito es ^{[ 62 ] [ 63 ]}

${\displaystyle {\ce {LiC6 <=> C6 + Li+ + e^-}}}$

La semirreacción del electrodo positivo en el sustrato de óxido de cobalto dopado con litio es

${\displaystyle {\ce {CoO2 + Li+ + e- <=> LiCoO2}}}$

La reacción completa es

${\displaystyle {\ce {LiC6 + CoO2 <=> C6 + LiCoO2}}}$

La reacción global tiene sus límites. La sobredescarga sobresatura el óxido de cobalto de litio , lo que lleva a la producción de óxido de litio , ^{[ 64 ]} posiblemente mediante la siguiente reacción irreversible:

${\displaystyle {\ce {Li+ + e^- + LiCoO2 -> Li2O + CoO}}}$

La sobrecarga hasta 5,2 voltios conduce a la síntesis de óxido de cobalto (IV), como lo demuestra la difracción de rayos X : ^{[ 65 ]} 

${\displaystyle {\ce {LiCoO2 -> Li+ + CoO2 + e^-}}}$

La energía de la celda es igual al voltaje multiplicado por la carga. Cada gramo de litio representa la constante de Faraday dividida entre 6,941, o 13 901 culombios. A 3  V, esto equivale a 41,7  kJ por gramo de litio, o 11,6  kWh por kilogramo de litio. Esta energía es ligeramente superior al calor de combustión de la gasolina ; sin embargo, las baterías de iones de litio en su conjunto siguen siendo significativamente más pesadas por unidad de energía debido a los materiales adicionales utilizados en su fabricación.

Tenga en cuenta que los voltajes de celda involucrados en estas reacciones son mayores que el potencial al cual se electrolizaría una solución acuosa .

Durante la descarga, los iones de litio ( Li ⁺) transportan la corriente dentro de la celda de la batería desde el electrodo negativo al positivo, a través del electrolito no acuoso y el diafragma separador. ^{[ 66 ]}

Durante la carga, una fuente de alimentación externa aplica una sobretensión (un voltaje superior al de la propia celda), lo que fuerza a los electrones a fluir del electrodo positivo al negativo. Los iones de litio también migran (a través del electrolito) del electrodo positivo al negativo, donde se incrustan en el material poroso del electrodo en un proceso conocido como intercalación.

Las baterías de iones de litio pueden tener varios niveles de estructura. Las baterías pequeñas constan de una sola celda. Las baterías más grandes conectan celdas en paralelo para formar un módulo, y los módulos se conectan en serie y en paralelo para formar un paquete. Se pueden conectar varios paquetes en serie para aumentar el voltaje. ^{[ 80 ]}

Las baterías pueden estar equipadas con sensores de temperatura, sistemas de calefacción/refrigeración, circuitos reguladores de voltaje , tomas de voltaje y monitores del estado de carga. Estos componentes abordan riesgos de seguridad como el sobrecalentamiento y los cortocircuitos . ^{[ 81 ]}

Las baterías de iones de litio se utilizan en multitud de aplicaciones, incluyendo electrónica de consumo , juguetes, herramientas eléctricas, vehículos eléctricos ^{[ 93 ]} y alimentación de respaldo en aplicaciones de telecomunicaciones. Las baterías de iones de litio también se utilizan para el almacenamiento de energía en la red . ^{[ 92 ] [ 94 ]}

Algunos submarinos también han sido equipados con baterías de iones de litio. ^{[ 95 ] [ 96 ]}

Debido a que las baterías de iones de litio pueden tener una variedad de materiales en los electrodos positivos y negativos, la densidad de energía y el voltaje varían en consecuencia.

El voltaje en circuito abierto es mayor que en las baterías acuosas (como las de plomo-ácido , níquel-hidruro metálico y níquel-cadmio ). ^{[ 79 ]} La resistencia interna aumenta tanto con el ciclado como con el envejecimiento, ^{[ 101 ]} aunque esto depende en gran medida del voltaje y la temperatura a la que se almacenan las baterías. ^{[ 102 ]} El aumento de la resistencia interna provoca que el voltaje en los terminales caiga bajo carga, lo que reduce la corriente máxima que se puede extraer. Finalmente, el aumento de la resistencia dejará la batería en un estado tal que ya no pueda soportar las corrientes de descarga normales que se le exigen sin una caída de voltaje inaceptable o sobrecalentamiento.

Las baterías con electrodos positivos de fosfato de hierro y litio y negativos de grafito tienen un voltaje nominal en circuito abierto de 3,2  V y un voltaje de carga típico de 3,6  V. Las baterías con electrodos positivos de óxido de níquel, manganeso y cobalto (NMC) y negativos de grafito tienen un  voltaje nominal de 3,7 V con un máximo de 4,2  V durante la carga. El procedimiento de carga se realiza a voltaje constante con un circuito limitador de corriente (es decir, cargando con corriente constante hasta que  se alcanza un voltaje de 4,2 V en la celda y continuando con un voltaje constante aplicado hasta que la corriente cae cerca de cero). Normalmente, la carga se detiene al 3 % de la corriente de carga inicial. En el pasado, las baterías de iones de litio no se podían cargar rápidamente y necesitaban al menos dos horas para cargarse por completo. Las celdas de última generación se pueden cargar completamente en 45 minutos o menos. En 2015, los investigadores demostraron que una pequeña  batería de 600 mAh se cargó al 68 % de su capacidad en dos minutos y una  batería de 3000 mAh se cargó al 48 % de su capacidad en cinco minutos. Esta última batería tiene una densidad de energía de 620  W·h/L. El dispositivo empleaba heteroátomos unidos a moléculas de grafito en el ánodo. ^{[ 103 ]}

El rendimiento de las baterías fabricadas ha mejorado con el tiempo. Por ejemplo, de 1991 a 2005 la capacidad de energía por precio de las baterías de iones de litio mejoró más de diez veces, de 0,3  W·h por dólar a más de 3  W·h por dólar. ^{[ 104 ]} En el período de 2011 a 2017, el progreso ha promediado un 7,5% anual. ^{[ 105 ]} En general, entre 1991 y 2024, los precios de todos los tipos de celdas de iones de litio (en dólares por kWh) cayeron aproximadamente un 99%. ^{[ 100 ]} De 1991 a 2018, la densidad de energía se triplicó con creces. ^{[ 106 ]} Los esfuerzos para aumentar la densidad de energía contribuyeron significativamente a la reducción de costos. ^{[ 107 ]} La densidad de energía también puede aumentarse mediante mejoras en la química de la celda, por ejemplo, mediante el reemplazo total o parcial del grafito por silicio. Los ánodos de silicio mejorados con nanotubos de grafeno para eliminar la degradación prematura del silicio permiten una densidad de energía de batería récord de hasta 350  Wh/kg y reducen los precios de los vehículos eléctricos para que sean competitivos con los de los vehículos con motor de combustión interna. ^{[ 108 ]}

Las celdas de diferente tamaño con el mismo formato (forma) y la misma composición química pueden tener diferentes densidades de energía. Las celdas tipo rollo de gelatina suelen tener una mayor densidad de energía que las celdas tipo moneda o prismáticas del mismo Ah, debido a un empaquetamiento más compacto de las capas celulares. Entre las celdas cilíndricas, las de mayor tamaño tienen una mayor densidad de energía , aunque el valor exacto depende en gran medida del grosor de las capas de electrodos. La desventaja de las celdas grandes es la disminución de la transferencia de calor de la celda a su entorno. ^{[ 99 ]}

La vida útil de una batería de iones de litio se define típicamente como el número de ciclos completos de carga y descarga para alcanzar un umbral de falla en términos de pérdida de capacidad o aumento de impedancia. Los fabricantes suelen especificar la vida útil en ciclos como el número de ciclos hasta que la capacidad cae al 80% de su valor nominal. ^{[ 111 ]} El simple hecho de almacenar baterías de iones de litio en estado cargado también reduce su capacidad y aumenta la resistencia de la celda (principalmente debido al crecimiento continuo de la interfaz del electrolito sólido en el ánodo). La vida útil en calendario describe la degradación durante el almacenamiento, así como durante el ciclado. La vida útil en ciclos de la batería se ve afectada por muchos factores de estrés diferentes, incluyendo la temperatura, la corriente de descarga, la corriente de carga y los rangos del estado de carga (profundidad de descarga). ^{[ 112 ] [ 113 ]} Debido a que las baterías en aplicaciones prácticas generalmente solo se cargan y descargan parcialmente, los investigadores a veces utilizan la descarga acumulativa ^{[ 112 ]} o ciclos completos equivalentes, ^{[ 113 ]} que suman ciclos parciales en un número equivalente de ciclos completos de carga y descarga. Las baterías almacenadas a alta temperatura o con un alto nivel de carga suelen perder su capacidad más rápidamente. ^{[ 114 ]}

A lo largo de su vida útil, las baterías se degradan gradualmente, lo que conlleva una reducción de la carga cíclica (también conocida como capacidad Ah) y un aumento de la resistencia (esto último se traduce en un voltaje de celda de funcionamiento más bajo). ^{[ 115 ]}

Se producen varios procesos de degradación, algunos durante el ciclo, otros durante el almacenamiento y otros de forma continua: ^{[ 116 ] [ 117 ] [ 115 ]} La degradación depende en gran medida de la temperatura: la degradación a temperatura ambiente es mínima, pero aumenta para las baterías almacenadas o utilizadas en entornos de alta temperatura (normalmente > 35  °C) o baja temperatura (normalmente < 5 °C). ^{[ 118 ] [ 119 ]} Además, la vida útil de la batería a temperatura ambiente es máxima. Los altos niveles de carga también aceleran la pérdida de capacidad . ^{[ 120 ]} La carga frecuente a > 90 % y la descarga a < 10 % también pueden acelerar la pérdida de capacidad . Mantener el estado de la batería de iones de litio entre el 60 % y el 80 % puede reducir la pérdida de capacidad. ^{[ 121 ] [ 122 ]} 

En un estudio, los científicos proporcionaron imágenes 3D y análisis de modelos para revelar las principales causas, mecanismos y posibles mitigaciones de la problemática degradación de las baterías durante los ciclos de carga . Encontraron que "[p]e observa que el agrietamiento de partículas aumenta y la pérdida de contacto entre las partículas y el dominio del aglutinante de carbono se correlacionan con la degradación de la celda" e indican que "la heterogeneidad de la reacción dentro del cátodo grueso causada por la conducción electrónica desequilibrada es la causa principal de la degradación de la batería durante el ciclado". ^{[ 123 ] [ 124 ]}

Los mecanismos de degradación más comunes incluyen: ^{[ 125 ]}

1. Reducción del electrolito de carbonato orgánico en el ánodo, lo que resulta en el crecimiento de la interfaz de electrolito sólido (SEI), donde los iones Li ⁺ quedan atrapados irreversiblemente, es decir, pérdida de litio. Esto se manifiesta como un aumento de la impedancia óhmica del electrodo negativo y una disminución de la carga ciclable Ah. A temperatura constante, el espesor de la película SEI (y, por lo tanto, la resistencia SEI y la pérdida de Li ⁺ ciclable ) aumenta como la raíz cuadrada del tiempo transcurrido en el estado cargado. El número de ciclos no es una métrica útil para caracterizar esta vía de degradación. A altas temperaturas o en presencia de daños mecánicos, la reducción del electrolito puede proceder de forma explosiva.
2. La deposición de litio metálico también provoca la pérdida de litio almacenado (carga cíclica en Ah), así como cortocircuitos internos e ignición de la batería. Una vez que comienza la deposición de litio durante el ciclado, se producen mayores pérdidas de capacidad y un aumento de la resistencia por ciclo. Este mecanismo de degradación se acentúa durante la carga rápida y a bajas temperaturas.
3. Pérdida de los materiales electroactivos (negativos o positivos) debido a la disolución (por ejemplo, de especies ^de Mn³⁺ ), agrietamiento, exfoliación, desprendimiento o incluso un simple cambio de volumen durante el ciclado. Esto se manifiesta como una disminución tanto de la carga como de la potencia (aumento de la resistencia). Tanto los materiales de los electrodos positivos como negativos son susceptibles a fracturarse debido a la tensión volumétrica de los ciclos repetidos de (des)litiación.
4. Degradación estructural de los materiales del cátodo, como la mezcla de cationes Li ⁺ /Ni2 ⁺ en materiales ricos en níquel. Esto se manifiesta como "saturación del electrodo", pérdida de carga Ah ciclable y "caída de voltaje".
5. Otras degradaciones de materiales. El colector de corriente de cobre negativo es particularmente propenso a la corrosión/disolución a bajos voltajes de celda. El aglutinante de PVDF también se degrada, lo que provoca el desprendimiento de los materiales electroactivos y la pérdida de carga ciclable en Ah.

Estos se muestran en la figura de la derecha. Un cambio de un mecanismo principal de degradación a otro aparece como un punto de inflexión (cambio de pendiente) en el gráfico de capacidad frente al número de ciclos. ^{[ 125 ]}

La mayoría de los estudios sobre el envejecimiento de las baterías de iones de litio se han realizado a  temperaturas elevadas (50–60 °C) para acelerar el envejecimiento . En estas condiciones de almacenamiento, las celdas de níquel-cobalto-aluminio y de fosfato de hierro y litio completamente cargadas pierden aproximadamente el 20 % de su carga ciclable en 1–2 años. Se cree que el envejecimiento del ánodo mencionado anteriormente es la vía de degradación más importante en estos casos. Por otro lado, los cátodos a base de manganeso muestran una degradación (aproximadamente 20–50 %) más rápida en estas condiciones, probablemente debido al mecanismo adicional de disolución de iones de Mn. ^{[ 117 ]} A 25  °C la degradación de las baterías de iones de litio parece seguir la misma vía (o vías) que la degradación a 50  °C, pero con la mitad de velocidad. ^{[ 117 ]} En otras palabras, según los datos experimentales extrapolados limitados, se espera que las baterías de iones de litio pierdan irreversiblemente alrededor del 20 % de su carga ciclable en 3 a 5 años o 1000 a 2000 ciclos a 25  °C. ^{[ 125 ]} Las baterías de iones de litio con ánodos de titanato no sufren crecimiento de SEI y duran más (>5000 ciclos) que los ánodos de grafito. Sin embargo, en celdas completas aparecen otros mecanismos de degradación (es decir, la disolución de Mn ³⁺ y el intercambio de lugar Ni ²⁺ /Li ⁺ , descomposición del aglutinante PVDF y desprendimiento de partículas) después de 1000 a 2000 días, y el uso de ánodo de titanato no mejora la durabilidad de la celda completa en la práctica.

El problema de la seguridad de las baterías de iones de litio se reconoció incluso antes de su lanzamiento comercial en 1991. Las dos principales causas de incendios y explosiones en baterías de iones de litio están relacionadas con procesos en el electrodo negativo (ánodo durante la descarga, cátodo durante la carga). Durante una carga normal, los iones de litio se intercalan en el grafito. Sin embargo, si la carga es demasiado rápida o la temperatura es demasiado baja, el litio metálico comienza a depositarse en el electrodo negativo, y las dendritas resultantes pueden penetrar el separador de la batería, provocar un cortocircuito interno en la celda y generar una alta corriente eléctrica, calentamiento e ignición. En otros mecanismos, se produce una reacción explosiva entre el material del electrodo negativo (LiC₆ ₎ y el disolvente (carbonato orgánico líquido) incluso en circuito abierto, siempre que la temperatura del electrodo supere un cierto umbral por encima de 70  °C. ^{[ 151 ]}

Las baterías de iones de litio en formato 18650 o superior pueden incorporar mecanismos de seguridad como un dispositivo de interrupción de corriente (CID) y un dispositivo de coeficiente de temperatura positivo (PTC). El CID consta de dos discos metálicos en contacto eléctrico. Cuando aumenta la presión interna, los discos se separan, interrumpiendo el circuito y cortando la corriente. El dispositivo PTC está compuesto por un polímero conductor; un aumento de la corriente provoca que el polímero se caliente, incrementando su resistencia eléctrica y reduciendo el flujo de corriente. ^{[ 152 ]}

Retiradas del mercado

En 2006, se retiraron del mercado aproximadamente 10 millones de baterías Sony utilizadas en computadoras portátiles, incluidas las de Dell , Sony , Apple , Lenovo , Panasonic , Toshiba , Hitachi , Fujitsu y Sharp . Se descubrió que las baterías eran susceptibles a la contaminación interna por partículas metálicas durante su fabricación. En algunos casos, estas partículas podían perforar el separador, provocando un peligroso cortocircuito. ^{[ 180 ]}

La IATA estima que cada año se transportan por vía aérea más de mil millones de celdas de litio metálico y de iones de litio. ^{[ 181 ]} Algunos tipos de baterías de litio pueden estar prohibidos a bordo de las aeronaves debido al riesgo de incendio. ^{[ 182 ] [ 183 ]} Algunas administraciones postales restringen el envío aéreo (incluido el EMS ) de baterías de litio y de iones de litio, ya sea por separado o instaladas en equipos.

A partir de 2021, casi el 90% de la extracción de litio en bruto provino de tres países: Australia (53%), Chile (24%) y China (10%), y casi toda la producción provino de China (56%), Chile (32%) y Argentina (11%). ^{[ 185 ]}

Impacto ambiental

La extracción de litio, níquel y cobalto , la fabricación de disolventes y los subproductos mineros presentan importantes riesgos ambientales y para la salud. ^{[ 187 ] [ 188 ] [ 189 ]} La extracción de litio puede ser fatal para la vida acuática debido a la contaminación del agua. ^{[ 190 ]} Se sabe que causa contaminación de aguas superficiales, contaminación del agua potable, problemas respiratorios, degradación de ecosistemas y daños al paisaje. ^{[ 187 ]} También conduce a un consumo insostenible de agua en regiones áridas (1,9 millones de litros por tonelada de litio). ^{[ 187 ]} La generación masiva de subproductos de la extracción de litio también presenta problemas sin resolver, como grandes cantidades de residuos de magnesio y cal. ^{[ 191 ]}

La extracción de litio se lleva a cabo en América del Norte y del Sur, Asia, Sudáfrica, Australia y China. ^{[ 192 ]}

El cobalto para baterías de iones de litio se extrae principalmente en el Congo (véase también Industria minera de la República Democrática del Congo ). La minería de cobalto a cielo abierto ha provocado deforestación y destrucción del hábitat en la República Democrática del Congo. ^{[ 193 ]}

La minería de níquel a cielo abierto ha provocado degradación ambiental y contaminación en países en desarrollo como Filipinas e Indonesia . ^{[ 194 ] [ 195 ]} En 2024, la minería y el procesamiento de níquel fueron una de las principales causas de deforestación en Indonesia . ^{[ 196 ] [ 197 ]}

La fabricación de un kilogramo de batería de iones de litio requiere aproximadamente 67 megajulios (MJ) de energía. ^{[ 198 ] [ 199 ]} El potencial de calentamiento global de la fabricación de baterías de iones de litio depende en gran medida de la fuente de energía utilizada en las operaciones de extracción y fabricación, y es difícil de estimar, pero un estudio de 2019 estimó 73  kg de CO2e/kWh. ^{[ 200 ]} El reciclaje efectivo puede reducir significativamente la huella de carbono de la producción. ^{[ 201 ]}

Los investigadores trabajan activamente para mejorar la densidad de potencia, la seguridad, la durabilidad del ciclo (vida útil de la batería), el tiempo de recarga, el costo, la flexibilidad y otras características, así como los métodos de investigación y los usos de estas baterías. ^{[ 237 ]} Las baterías de estado sólido se están investigando como un avance en las barreras tecnológicas. Actualmente, se espera que las baterías de estado sólido sean la batería de próxima generación más prometedora, y varias empresas están trabajando para popularizarlas.

Las áreas de investigación para las baterías de iones de litio incluyen extender la vida útil, aumentar la densidad de energía, mejorar la seguridad, reducir el costo y aumentar la velocidad de carga, ^{[ 238 ] [ 239 ]} entre otras. Se ha estado investigando en el área de electrolitos no inflamables como una vía para aumentar la seguridad basada en la inflamabilidad y volatilidad de los solventes orgánicos utilizados en el electrolito típico. Las estrategias incluyen baterías de iones de litio acuosas , electrolitos sólidos cerámicos, electrolitos poliméricos, líquidos iónicos y sistemas altamente fluorados. ^{[ 240 ] [ 241 ] [ 242 ] [ 243 ]}

Una de las formas de mejorar las baterías es combinar los diversos materiales del cátodo. Esto permite a los investigadores mejorar las cualidades de un material, limitando al mismo tiempo sus aspectos negativos. Una posibilidad es recubrir el óxido de litio, níquel y manganeso con fosfato de hierro y litio mediante mezcla acústica resonante. El material resultante se beneficia de un mayor rendimiento electroquímico y una mejor retención de capacidad. ^{[ 244 ]} Se realizó un trabajo similar con fosfato de hierro (III). ^{[ 245 ]} Dado que ahora se acepta que no solo los metales de transición, sino también los aniones en los cátodos participan en la actividad redox necesaria para la inserción y extracción de litio, el diseño de materiales de cátodo con diversos cationes de metales de transición considera cada vez más también las reacciones redox del oxígeno en los cátodos de las baterías de iones de litio y cómo estas pueden mejorar la capacidad más allá de las limitaciones de los metales de transición, con estudios computacionales que utilizan la teoría del funcional de la densidad que ayudan a optimizar los materiales al tiempo que minimizan la degradación estructural. Los avances en la comprensión de la redox aniónica han llevado a estrategias de estabilización como la fluoración de la superficie, mejorando la estabilidad del ciclo y la seguridad. ^{[ 246 ]}

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