Un condensador de iones de litio ( LIC ) es un tipo híbrido de condensador clasificado como un tipo de supercondensador . Se llama híbrido porque el ánodo es el mismo que se usa en las baterías de iones de litio y el cátodo es el mismo que se usa en los supercondensadores. El carbón activado se usa típicamente como cátodo . El ánodo del LIC consta de material de carbono que a menudo se dopa previamente con iones de litio . Este proceso de dopaje previo reduce el potencial del ánodo y permite un voltaje de salida relativamente alto en comparación con otros supercondensadores.
Energía específica | 19–262 Wh / kg [1] |
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Densidad de energia | 19-25 Wh / L [ verificación necesaria ] |
Poder especifico | 300–156000 W / kg [1] |
Eficiencia de carga / descarga | 95% [ verificación necesaria ] |
Tasa de autodescarga | <5% por mes (depende de la temperatura) |
Durabilidad del ciclo | 100-75.000 más del 90% [1] |
Voltaje nominal de la celda | 1,5–4,5 V [1] |
Historia
En 1981, el Dr. Yamabe de la Universidad de Kyoto, en colaboración con el Dr. Yata de Kanebo Co., creó un material conocido como PAS (semiconductor poliacénico) pirolizando resina fenólica a 400–700 ° C. [2] Este material carbonoso amorfo funciona bien como electrodo en dispositivos recargables de alta densidad de energía. Las patentes fueron presentadas a principios de la década de 1980 por Kanebo Co., [3] y comenzaron los esfuerzos para comercializar capacitores PAS y capacitores de iones de litio (LIC). El condensador PAS se utilizó por primera vez en 1986, [4] y el condensador LIC en 1991.
No fue hasta 2001 [5] que un grupo de investigación pudo hacer realidad la idea de un condensador de iones híbrido. Se realizaron muchas investigaciones para mejorar el rendimiento y el ciclo de vida de los electrodos y electrolitos, pero no fue hasta 2010 que Naoi et al. hizo un gran avance al desarrollar un compuesto nanoestructurado de LTO (óxido de litio y titanio) con nanofibras de carbono . [6] Hoy en día, otro campo de interés es el Condensador de Iones de Sodio (NIC) porque el sodio es mucho más barato que el litio. Sin embargo, el LIC todavía supera al NIC, por lo que no es económicamente viable (todavía). [7]
Concepto
Un condensador de iones de litio es un dispositivo híbrido de almacenamiento de energía electroquímica que combina el mecanismo de intercalación de un ánodo de batería de iones de litio con el mecanismo de doble capa del cátodo de un condensador eléctrico de doble capa ( EDLC ). La combinación de un electrodo LTO tipo batería negativo y un carbón activado (CA) de tipo capacitor positivo dio como resultado una densidad de energía de aprox. 20 Wh / kg, que es aproximadamente 4 a 5 veces mayor que la de un condensador eléctrico de doble capa estándar (EDLC). Sin embargo, se ha demostrado que la densidad de potencia coincide con la de los EDLC, ya que puede descargarse completamente en segundos. [8]
En el electrodo negativo (cátodo), para el que se utiliza a menudo carbón activado , las cargas se almacenan en una doble capa eléctrica que se desarrolla en la interfaz entre el electrodo y el electrolito. Al igual que los EDLC, los voltajes LIC varían linealmente, lo que aumenta las complicaciones al integrarlos en sistemas que tienen electrónica de potencia que esperan el voltaje más estable de las baterías. Como consecuencia, los LIC tienen una alta densidad de energía, que varía con el cuadrado del voltaje. La capacitancia del ánodo es varios órdenes de magnitud mayor que la del cátodo. Como resultado, el cambio del potencial del ánodo durante la carga y la descarga es mucho menor que el cambio en el potencial del cátodo.
Ánodo
El electrodo negativo o ánodo del LIC es el tipo de batería o el electrodo de alta densidad de energía. El ánodo se puede cargar para que contenga grandes cantidades de energía mediante la intercalación reversible de iones de litio. Este proceso es una reacción electroquímica. Esta es la razón por la que la degradación es un problema mayor para el ánodo que para el cátodo, ya que el cátodo está involucrado en un proceso electrostático y no en uno electroquímico .
Hay dos grupos de ánodos. El primer grupo son los híbridos de especies activas electroquímicas y materiales carbonosos. El segundo grupo son los materiales de ánodos nanoestructurados. El ánodo de los LIC es básicamente un material de batería de tipo intercalación que tiene una cinética lenta . Sin embargo, para emplear un ánodo en los LIC, es necesario inclinar ligeramente sus propiedades hacia las de un condensador mediante el diseño de materiales de ánodo híbridos. Los materiales híbridos se pueden preparar utilizando mecanismos de almacenamiento de tipo condensador y batería. [1] Actualmente, la mejor especie electroquímica es el óxido de titanio y litio (LTO),2
Li4Ti5O12 , debido a sus extraordinarias propiedades como alta eficiencia culómbica , meseta de voltaje de operación estable y alteración de volumen insignificante durante la inserción / deserción del litio. El LTO desnudo tiene poca conductividad eléctrica y difusividad de iones de litio, por lo que se necesita un híbrido. [9] Las ventajas de LTO combinadas con la gran conductividad eléctrica y difusividad iónica de materiales carbonosos como los recubrimientos de carbono conducen a LIC económicamente viables.
El potencial del electrodo de LTO es bastante estable alrededor de -1,5 V frente a Li / Li + . Dado que se utiliza material carbonoso, el potencial del electrodo grafítico que inicialmente es de -0,1 V frente a SHE (electrodo de hidrógeno estándar) se reduce aún más a -2,8 V mediante la intercalación de iones de litio. Este paso se denomina "dopado" y a menudo tiene lugar en el dispositivo entre el ánodo y un electrodo de litio de sacrificio. Dopar el ánodo reduce el potencial del ánodo y conduce a un voltaje de salida más alto del condensador. Por lo general, los voltajes de salida para los LIC están en el rango de 3.8 a 4.0 V, pero están limitados a los voltajes mínimos permitidos de 1.8 a 2.2 V.
Los materiales nanoestructurados son óxidos metálicos con una gran superficie específica. Su principal ventaja es que es una forma de aumentar la capacidad de velocidad del ánodo al reducir las vías de difusión de las especies electrolíticas. Se han desarrollado diferentes formas de nanoestructuras que incluyen nanotubos (de pared única y de paredes múltiples), nanopartículas, nanocables y nanoperlas para mejorar la densidad de potencia. [7] [1]
Se están investigando otros candidatos para materiales de ánodos como alternativa a los carbonos grafíticos, [7] como el carbono duro, [6] [10] [11] el carbono blando y los carbones a base de grafeno. [12] El beneficio esperado, en comparación con los carbonos grafíticos, es aumentar el potencial del electrodo dopado, lo que conduce a una mejor capacidad de potencia y reduce el riesgo de metal (litio) enchapado en el ánodo.
Cátodo
El cátodo de los LIC utiliza una doble capa eléctrica para almacenar energía. Para maximizar la eficacia del cátodo, debe tener una superficie específica elevada y una buena conductividad . Inicialmente se utilizó carbón activado para fabricar cátodos, pero para mejorar el rendimiento, se han utilizado diferentes cátodos en los LIC. Estos se pueden clasificar en cuatro grupos: carbono dopado con heteroátomos, carbono a base de grafeno, carbono poroso y cátodos bifuncionales.
El carbono dopado con heteroátomos hasta ahora solo ha sido dopado con nitrógeno . El dopaje de carbón activado con nitrógeno mejora tanto la capacitancia como la conductividad del cátodo. [13] [14] [15]
Se han utilizado cátodos a base de grafeno porque el grafeno tiene una conductividad eléctrica excelente, sus capas delgadas tienen una superficie específica alta y se puede producir de forma económica. Se ha demostrado que es eficaz y estable en comparación con otros materiales de cátodo. [16] [17]
Los cátodos de carbón poroso se fabrican de manera similar a los cátodos de carbón activado. Al utilizar diferentes métodos para producir el carbono, se puede fabricar con una porosidad más alta. [1] Esto es útil porque para que funcione el efecto de doble capa, los iones tienen que moverse entre la doble capa y el separador. Tener una estructura de poros jerárquica hace que esto sea más rápido y más fácil.
Los cátodos bifuncionales utilizan una combinación de materiales utilizados por sus propiedades EDLC y materiales utilizados por sus buenas propiedades de intercalación de Li + para aumentar la densidad de energía del LIC. [1] Se aplicó una idea similar a los materiales del ánodo donde sus propiedades estaban ligeramente inclinadas hacia las de un condensador.
Pre-litiación (pre-dopaje)
El ánodo de los LIC a menudo está prelitiado para evitar que el ánodo experimente una gran caída de potencial durante los ciclos de carga y descarga. Cuando un LIC se acerca a su voltaje máximo o mínimo, el electrolito y los electrodos comienzan a degradarse. Esto dañará irreversiblemente el dispositivo y los productos de degradación catalizarán una mayor degradación.
Otra razón para la pre-litiación es que los electrodos de alta capacidad pierden capacidad de manera irreversible después de los ciclos iniciales de carga y descarga. Esto se atribuye principalmente a la formación de una película de interfase de electrolitos sólidos (SEI). Mediante la prelitiación de los electrodos se puede compensar principalmente la pérdida de iones de litio a la formación de SEI. En general, el ánodo de los LIC está prelitiado ya que el cátodo está libre de Li y no participará en los procesos de inserción / deserción de litio. [18]
Electrólito
La tercera parte de casi cualquier dispositivo de almacenamiento de energía es el electrolito. El electrolito debe poder transportar electrones de un electrodo a otro, pero no debe limitar las especies electroquímicas en su velocidad de reacción. Para los LIC, el electrolito idealmente tiene una conductividad iónica alta, de modo que los iones de litio pueden alcanzar fácilmente el ánodo. Normalmente, se usaría un electrolito acuoso para lograr esto, pero el agua reaccionará con los iones de litio, por lo que a menudo se usan electrolitos no acuosos. El electrolito utilizado en un LIC es una solución de sal de iones de litio que se puede combinar con otros componentes orgánicos y generalmente es idéntico al utilizado en las baterías de iones de litio .
En general, se utilizan electrolitos orgánicos que tienen una conductividad eléctrica menor (10 a 60 mS / cm) que los electrolitos acuosos (100 a 1000 mS / cm) pero son mucho más estables. A menudo lineal ( carbonato de etileno ) y cíclicos ( carbonato de dimetilo ) carbonatos se añaden para aumentar la conductividad y estos incluso mejoran SEI estabilidad formación. Donde esto último significa que hay una menor probabilidad de que se forme mucho SEI después de los ciclos iniciales. Otra categoría de electrolitos son los electrolitos inorgánicos de vidrio y cerámica. Estos no se mencionan muy a menudo pero tienen sus aplicaciones y tienen sus propias ventajas y desventajas en comparación con los electrolitos orgánicos que provienen principalmente de su estructura porosa. [19]
Un separador evita el contacto eléctrico directo entre el ánodo y el cátodo. Debe ser químicamente inerte para evitar que reaccione con el electrolito, lo que reducirá las capacidades del LIC. Sin embargo, el separador debe dejar pasar los iones pero no los electrones que se forman, ya que esto crearía un cortocircuito.
Propiedades
Las propiedades típicas de un LIC son
- alta capacitancia en comparación con un condensador, debido al ánodo grande, aunque de baja capacidad en comparación con una celda de iones de litio
- alta densidad de energía en comparación con un condensador (14 Wh / kg informado [20] ), aunque baja densidad de energía en comparación con una celda de iones de litio
- alta densidad de potencia
- alta fiabilidad
- temperaturas de funcionamiento que oscilan entre -20 ° C y 70 ° C [21]
- baja autodescarga (caída de voltaje <5% a 25 ° C durante tres meses) [21]
Comparación con otras tecnologías
Las baterías , EDLC y LIC tienen diferentes fortalezas y debilidades, lo que las hace útiles para diferentes categorías de aplicaciones. Los dispositivos de almacenamiento de energía se caracterizan por tres criterios principales: densidad de potencia (en W / kg), densidad de energía (en Wh / kg) y ciclo de vida (número de ciclos de carga).
Los LIC tienen densidades de potencia más altas que las baterías y son más seguras que las baterías de iones de litio , en las que pueden producirse reacciones térmicas descontroladas . En comparación con el condensador eléctrico de doble capa (EDLC ), el LIC tiene un voltaje de salida más alto. Aunque tienen densidades de potencia similares, el LIC tiene una densidad de energía mucho más alta que otros supercondensadores. El gráfico de Ragone en la figura 1 muestra que los LIC combinan la alta energía de los LIB con la alta densidad de potencia de los EDLC.
El ciclo de vida útil de los LIC es mucho mejor que el de las baterías, pero no se acerca al de los EDLC. Algunos LIC tienen un ciclo de vida más largo, pero esto a menudo se produce a costa de una menor densidad de energía.
En conclusión, el LIC probablemente nunca alcanzará la densidad de energía de una batería de iones de litio y nunca alcanzará el ciclo de vida combinado y la densidad de potencia de un supercondensador. Por lo tanto, debe verse como una tecnología separada con sus propios usos y aplicaciones.
Aplicaciones
Los condensadores de iones de litio son muy adecuados para aplicaciones que requieren una alta densidad de energía, altas densidades de potencia y una excelente durabilidad. Dado que combinan una alta densidad de energía con una alta densidad de potencia, no hay necesidad de dispositivos de almacenamiento eléctrico adicionales en varios tipos de aplicaciones, lo que reduce los costos.
Las aplicaciones potenciales de los condensadores de iones de litio son, por ejemplo, en los campos de los sistemas de generación de energía eólica , sistemas de fuente de energía ininterrumpida (UPS), compensación de caída de voltaje , generación de energía fotovoltaica , sistemas de recuperación de energía en maquinaria industrial, vehículos eléctricos e híbridos y transporte. sistemas.
Un posible uso final importante de los dispositivos HIC (condensadores de iones híbridos) es el frenado regenerativo. La recolección de energía de frenado regenerativa de trenes, automóviles pesados y, en última instancia, vehículos ligeros, representa un enorme mercado potencial que sigue sin explotarse por completo debido a las limitaciones de las tecnologías existentes de baterías secundarias y supercondensadores (condensadores electroquímicos y ultracondensadores). [7]
Referencias
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enlaces externos
- Presentamos el condensador de iones de litio de JM Energy, JM Energy
- Condensador de iones de litio , JSR Micro