batería de polímero de litio

Una batería de polímero de litio , o más correctamente, batería de polímero de iones de litio (abreviada como LiPo , LIP , Li-poly , litio-poli, entre otras), es una batería recargable derivada de la tecnología de baterías de iones de litio y litio metálico . La principal diferencia radica en que, en lugar de utilizar una sal de litio líquida (como el hexafluorofosfato de litio , LiPF6 ₎ disuelta en un disolvente orgánico (como EC / DMC / DEC ) como electrolito , la batería utiliza un electrolito polimérico sólido (o semisólido) como el polietilenglicol (PEG), el poliacrilonitrilo (PAN), el poli(metacrilato de metilo) (PMMA) o el poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF). Otros términos utilizados en la literatura para este sistema incluyen electrolito polimérico híbrido ( HPE ), donde híbrido denota la combinación de la matriz polimérica, el disolvente líquido y la sal. ^{[ 2 ]}

Los electrolitos poliméricos se pueden dividir en dos grandes categorías: electrolitos poliméricos sólidos secos (SPE) y electrolitos poliméricos en gel (GPE). ^{[ 3 ]}

En comparación con los electrolitos líquidos y los electrolitos orgánicos sólidos, los electrolitos poliméricos ofrecen ventajas como una mayor resistencia a las variaciones de volumen de los electrodos durante los procesos de carga y descarga, mejores características de seguridad y una excelente flexibilidad. Estas baterías proporcionan una mayor densidad energética que otros tipos de baterías de litio.

Se utilizan en aplicaciones donde el peso es crítico, como computadoras portátiles , tabletas , teléfonos inteligentes , aeronaves radiocontroladas y algunos vehículos eléctricos . ^{[ 4 ]}

El SPE seco fue el primero en usarse en prototipos de baterías, alrededor de 1978 por Michel Armand , ^{[ 5 ] [ 6 ]} y 1985 por ANVAR y Elf Aquitaine de Francia, y Hydro-Québec de Canadá. ^{[ 7 ]}

Nishi menciona que Sony comenzó a investigar celdas de iones de litio con electrolitos poliméricos gelificados (GPE) en 1988, antes de la comercialización de la celda de iones de litio con electrolito líquido en 1991. ^{[ 8 ]} En ese momento, las baterías de polímero eran prometedoras y parecía que los electrolitos poliméricos se volverían indispensables. ^{[ 9 ]} Finalmente, este tipo de celda llegó al mercado en 1998. ^{[ 8 ]} Sin embargo, Scrosati argumenta que, en el sentido más estricto, las membranas gelificadas no pueden clasificarse como electrolitos poliméricos "verdaderos", sino más bien como sistemas híbridos donde las fases líquidas están contenidas dentro de la matriz polimérica. ^{[ 10 ]} Aunque estos electrolitos poliméricos pueden estar secos al tacto, aún pueden incluir entre un 30 % y un 50 % de disolvente líquido. ^{[ 11 ]}

Desde 1990, varias organizaciones, como Mead y Valence en Estados Unidos y GS Yuasa en Japón, han desarrollado baterías que utilizan SPE gelificados. ^{[ 7 ]}

En 1996, Bellcore , en Estados Unidos, anunció una celda recargable de polímero de litio que utilizaba SPE poroso, ^{[ 7 ] [ 12 ]} que se denominó celda de iones de litio de plástico ( PLiON ) y que posteriormente se comercializó en 1999. ^{[ 2 ]}

Al igual que otras celdas de iones de litio, las baterías LiPo funcionan mediante la intercalación y desintercalación de iones de litio entre un electrodo positivo y uno negativo. Sin embargo, en lugar de un electrolito líquido, las baterías LiPo suelen utilizar un electrolito polimérico sólido o en gel como medio conductor. Se emplea un separador polimérico microporoso para evitar el contacto directo entre los electrodos, permitiendo al mismo tiempo el transporte de iones de litio. ^{[ 13 ]}

Una celda típica tiene cuatro componentes principales: un electrodo positivo , un electrodo negativo, un separador y un electrolito . El separador puede ser un polímero , como una película microporosa de polietileno (PE) o polipropileno (PP); por lo tanto, incluso cuando la celda tiene un electrolito líquido, seguirá teniendo un componente polimérico. Además, el electrodo positivo se puede dividir en tres partes: el óxido de litio-metal de transición (como LiCoO₂ _{o LiMn₂O₄} ) _, un aditivo conductor y un aglutinante polimérico de poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF). ^{[ 14 ] [ 15 ]} El material del electrodo negativo puede tener las mismas tres partes, solo que con carbono en lugar del óxido de litio-metal. ^{[ 14 ] [ 15 ]} 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 utilizan electrolitos sólidos secos, parecidos a un gel, mientras que las celdas de iones de litio utilizan electrolitos líquidos.

Los electrolitos poliméricos se pueden dividir en dos grandes categorías: electrolitos poliméricos sólidos secos (SPE) y electrolitos poliméricos en gel (GPE). ^{[ 3 ]}

El electrolito polimérico sólido se definió inicialmente como una matriz polimérica hinchada con sales de litio, ahora llamado electrolito polimérico sólido seco. ^{[ 3 ]} 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 baja conductividad a temperatura ambiente. Para mejorar la conductividad iónica a temperatura ambiente, se añade un electrolito gelificado, lo que da lugar a 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 polimérica, por lo que los GPE tienen propiedades intermedias entre las de los electrolitos líquidos y sólidos. ^{[ 17 ]} El mecanismo de conducción es similar para los electrolitos líquidos y los geles poliméricos, pero los GPE tienen mayor estabilidad térmica y baja volatilidad, lo que también contribuye a la seguridad. ^{[ 18 ]}

El voltaje de una celda LiPo individual depende de su composición química y varía desde aproximadamente 4,2  V (completamente cargada) hasta aproximadamente 2,7–3,0  V (completamente descargada). El voltaje nominal es de 3,6 o 3,7 voltios (aproximadamente el valor medio entre el máximo y el mínimo) para las celdas basadas en óxidos de litio y metal (como LiCoO₂ ₎ . Esto se compara con 3,6–3,8  V (cargada) a 1,8–2,0  V (descargada) para las basadas en fosfato de hierro y litio (LiFePO₄ ₎ .

En las hojas de datos del producto deben especificarse las tensiones exactas, teniendo en cuenta que las celdas deben estar protegidas por un circuito electrónico que impida que se sobrecarguen o se descarguen en exceso durante su uso.

Las baterías LiPo , con celdas conectadas en serie y en paralelo, tienen pines independientes para cada celda. Un cargador especializado puede controlar la carga de cada celda para que todas alcancen el mismo estado de carga (SOC).

Las celdas LiPo ofrecen a los fabricantes ventajas significativas. Permiten producir baterías de prácticamente cualquier forma deseada. Por ejemplo, se pueden cumplir los requisitos de espacio y peso de dispositivos móviles y ordenadores portátiles . Además, presentan una baja tasa de autodescarga, de aproximadamente un 5 % mensual. ^{[ 19 ]}

Las baterías LiPo son ahora casi omnipresentes cuando se utilizan para alimentar drones comerciales y de aficionados ( vehículos aéreos no tripulados ), aeronaves radiocontroladas , coches radiocontrolados y trenes modelo a gran escala, donde las ventajas de menor peso y mayor capacidad y entrega de potencia justifican el precio. Los informes de prueba advierten del riesgo de incendio cuando las baterías no se utilizan según las instrucciones. ^{[ 20 ]} El voltaje para el almacenamiento prolongado de baterías LiPo utilizadas en modelos R/C debe estar en  el rango de 3,6~3,9 V por celda, de lo contrario puede causar daños a la batería. ^{[ 21 ]}

Las baterías LiPo también se utilizan ampliamente en el airsoft , donde sus mayores corrientes de descarga y mejor densidad de energía que las baterías NiMH tradicionales ofrecen una mejora de rendimiento muy notable (mayor cadencia de disparo).

Las baterías de polímero de litio (LiPo) son omnipresentes en dispositivos móviles , baterías externas , ordenadores portátiles ultrafinos , reproductores multimedia portátiles , mandos inalámbricos para consolas de videojuegos, periféricos inalámbricos para PC, cigarrillos electrónicos y otras aplicaciones donde se buscan formatos compactos. Su alta densidad energética compensa las consideraciones de coste.

La batería que se usa para arrancar el motor de combustión interna de un vehículo suele ser de 12  V o 24  V, por lo que un arrancador portátil o un arrancador de batería utiliza tres o seis baterías LiPo en serie (3S1P/6S1P) para arrancar el vehículo en caso de emergencia, en lugar de otros métodos de arranque . El precio de un arrancador de plomo-ácido es menor, pero son más grandes y pesados ​​que las baterías de litio comparables. Por ello, estos productos han optado mayoritariamente por baterías LiPo o, en ocasiones, por baterías de fosfato de hierro y litio.

Hyundai Motor Company utiliza baterías LiPo en algunos de sus vehículos eléctricos e híbridos ^{[ 22 ]} y Kia Motors en su Kia Soul eléctrico . ^{[ 23 ]} El Bolloré Bluecar , que se utiliza en sistemas de coche compartido en varias ciudades, también utiliza este tipo de batería.

Las baterías LiPo se están volviendo cada vez más comunes en los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS). Ofrecen numerosas ventajas sobre las baterías VRLA tradicionales , y con las mejoras en estabilidad y seguridad, la confianza en la tecnología está creciendo. Sus relaciones potencia-tamaño y peso-potencia se consideran ventajas importantes en muchas industrias que requieren respaldo de energía crítico, incluidos los centros de datos, donde el espacio suele ser limitado. ^{[ 24 ]} La mayor vida útil, la energía utilizable (profundidad de descarga) y el embalamiento térmico también se consideran ventajas de usar baterías LiPo sobre baterías VRLA.

Todas las celdas de iones de litio se expanden a altos niveles de estado de carga (SOC) o sobrecarga debido a una ligera vaporización del electrolito. Esto puede provocar deslaminación y, por lo tanto, un mal contacto con las capas internas de la celda, lo que a su vez disminuye la fiabilidad y la vida útil general del ciclo. ^{[ 25 ]} Esto es muy notorio en las baterías de polímero de litio, que pueden inflarse visiblemente debido a la falta de una carcasa rígida que contenga su expansión. Las características de seguridad de las baterías de polímero de litio difieren de las de las baterías de fosfato de hierro y litio .

A diferencia de las celdas cilíndricas y prismáticas de iones de litio, con una carcasa metálica rígida, las celdas LiPo tienen una carcasa flexible tipo lámina ( laminado de polímero ), por lo que son relativamente menos restrictivas. Una presión moderada sobre el conjunto de capas que componen la celda resulta en una mayor retención de capacidad, ya que se maximiza el contacto entre los componentes y se evita la delaminación y la deformación, lo cual está asociado con un aumento de la impedancia y la degradación de la celda. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

Un electrolito polimérico sólido (SPE) es una solución salina sin disolvente en un medio polimérico. Puede ser, por ejemplo, un compuesto de bis(fluorosulfonil)imida de litio (LiFSI) y poli(óxido de etileno) (PEO) de alto peso molecular, ^{[ 27 ]} un poli(carbonato de trimetileno) (PTMC) de alto peso molecular , ^{[ 28 ]} óxido de polipropileno (PPO), poli[bis(metoxi-etoxi-etoxi)fosfazeno] (MEEP), etc. El PEO exhibe el rendimiento más prometedor como disolvente 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 donador, solvatando fácilmente los cationes Li ⁺ . El PEO también está disponible comercialmente a un costo muy razonable. ^{[ 3 ]} El rendimiento de estos electrolitos propuestos generalmente se mide en una configuración de semicelda frente a un electrodo de litio metálico , haciendo que el sistema sea una celda " litio-metal ". Sin embargo, también se ha probado con un material de cátodo de iones de litio común, como el fosfato de hierro y litio (LiFePO ₄ ).

Las celdas con electrolitos de polímero sólido no se han comercializado completamente ^{[ 29 ]} y siguen siendo objeto de investigación. ^{[ 30 ]} 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 . ^{[ 10 ]} El enfoque más simple es utilizar una matriz de polímero, como fluoruro de polivinilideno (PVdF) o poli ₍ acrilonitrilo) (PAN), gelificada con sales y disolventes convencionales, como LiPF6 en EC / DMC / DEC .

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 el poli(fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno)/poli(metacrilato de metilo) (PVDF-HFP/PMMA). ^{[ 31 ]}

• Lista de tipos de baterías
• batería de litio-aire
• batería de fosfato de hierro y litio
• Investigación en baterías de iones de litio

• Electropedia sobre la fabricación de baterías de litio. Archivado el 1 de mayo de 2021 en Wayback Machine.
• Electropedia sobre fallos en baterías de litio. Archivado el 1 de mayo de 2021 en Wayback Machine.