Grafito para baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio ocupan una posición fundamental en el campo actual del almacenamiento de energía. Y el grafito, como uno de los materiales clave de las baterías de iones de litio, no puede subestimar su importancia. El grafito, un mineral en capas formado por una disposición hexagonal de átomos de carbono, tiene muchas propiedades físicas y químicas únicas. Éstas lo convierten en una opción ideal para los materiales de electrodos de las baterías de iones de litio. Y suponen un gran apoyo para el desarrollo de dispositivos electrónicos modernos y vehículos eléctricos, impulsando la tecnología de almacenamiento de energía.

¿Cómo se utiliza el grafito en las pilas?

Mecanismo de incrustación y extracción del litio

Cuando se carga una batería de iones de litio, los iones de litio se desprenden del material del electrodo positivo y migran al electrodo negativo a través de la solución electrolítica. Como el grafito tiene una estructura cristalina en capas, estos iones de litio pueden incrustarse en las capas de grafito. Formando una estructura similar a un "sándwich", es decir, un compuesto de intercalación litio-grafito. En el proceso de descarga, el proceso se invierte. Los iones de litio de la capa de grafito, vuelven al electrodo positivo. Los electrones fluyen en el circuito externo para generar corriente, alimentando así los dispositivos externos. Este mecanismo de incrustación y desincrustación es el proceso central de almacenamiento y liberación de energía del grafeno como material de electrodo negativo para las baterías de iones de litio. Y su reversibilidad y eficacia tienen un impacto crucial en el rendimiento global de la batería.

Proceso de reacción electroquímica

Desde la perspectiva de la reacción electroquímica, el electrodo negativo de grafito tiene una compleja reacción REDOX durante el proceso de carga y descarga de la batería. En la fase inicial de la carga, el sitio activo de la superficie del grafito adsorbe primero los iones de litio. Con la disminución del potencial, los iones de litio se incrustan gradualmente en las capas de grafito. Y los electrones fluyeron hacia el grafito desde el circuito externo para hacer que el grafito sufriera una reacción de reducción. Al descargar, por el contrario, los iones de litio se eliminan de la capa de grafito. El grafito se oxida, y los electrones fluyen hacia el electrodo positivo a través del circuito externo. Así se completa un ciclo de reacción electroquímica. En este proceso, factores como la composición y concentración del electrolito y las propiedades de la interfaz entre el electrodo y el electrolito afectarán a la velocidad, eficacia y estabilidad de la reacción electroquímica. Y, a continuación, afectarán al rendimiento de la batería.

¿Por qué se utiliza grafito en las baterías de iones de litio?

Correlación entre características estructurales y rendimiento

Las capas estructura del grafito es el factor estructural clave para su amplia aplicación en las baterías de iones de litio. Esta estructura en capas hace que el grafito tenga una gran separación entre capas. Proporciona espacio suficiente para la incrustación y desincrustación de los iones de litio. Favorece la realización del transporte rápido de iones, mejorando así el rendimiento de la relación carga-descarga de la batería. Al mismo tiempo, la fuerza de Van der Waals entre las capas es débil. De este modo, los iones de litio pueden entrar y salir de la capa de grafito con relativa facilidad. Esto reduce la energía de activación de la reacción y mejora la eficiencia energética de la batería. Además, la estructura cristalina del grafito tiene una gran estabilidad. Puede mantener la integridad de la estructura durante la incrustación y desincrustación repetidas de iones de litio. Reduce la atenuación de la capacidad de la batería causada por el colapso estructural. Y garantizar la larga vida útil de la batería.

Ventajas de las propiedades físicas y químicas

El grafito tiene una buena conductividad eléctrica, puede conducir eficazmente los electrones, reducir la resistencia ohmica dentro de la batería. Y mejora la eficiencia de carga y descarga y el rendimiento energético de la batería. En cuanto a las propiedades químicas, el grafito tiene una gran estabilidad química. Y no es fácil que reaccione químicamente con el electrolito en la ventana de potencial de trabajo de la batería. Evita los efectos adversos de los gases y las impurezas causados por reacciones secundarias en el rendimiento de la batería. Además, la estabilidad térmica del grafito es buena. Y puede soportar hasta cierto punto el calor generado durante el proceso de carga y descarga de la batería. Esto reduce el riesgo de fuga térmica de la batería y mejora su seguridad. Es especialmente importante para los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala y los vehículos eléctricos y otros escenarios de aplicación.

Batería de grafeno frente a batería de litio

Las baterías de grafeno (normalmente se refiere a las baterías de iones de litio con grafeno como electrodo negativo) se diferencian de las de litio en muchos aspectos. En términos de densidad energética, la batería de grafeno es relativamente madura y estable. Y su densidad energética puede satisfacer la mayoría de los escenarios actuales. La nueva batería de litio, como la silicio-La batería de litio con base de silicio tiene una mayor densidad energética teórica. Pero el material a base de silicio tiene un gran cambio de volumen durante la carga y la descarga, lo que afecta a la estabilidad del ciclo de vida de la batería de grafeno.

En términos de coste, las reservas de grafito son ricas, la tecnología de extracción y procesamiento está madura. Y el coste es relativamente bajo, mientras que algunas baterías de litio nuevas tienen costes elevados debido a la rareza de los materiales o a su compleja preparación.

En cuanto a la seguridad, la batería de grafito tiene una buena estabilidad térmica y no es fácil que aparezca el desbocamiento térmico. En este sentido, la nueva batería de litio debe seguir mejorando. En la actualidad, el uso de las baterías de grafito está muy extendido, pero las baterías de litio se están desarrollando rápidamente en el campo de la investigación científica. Y si las baterías de litio superan el cuello de botella técnico en el futuro, se espera que formen una situación competitiva con las baterías de grafito en algunas áreas de gama alta.

Escenarios específicos de aplicación del grafeno en las baterías de iones de litio

Electrónica de consumo

En teléfonos inteligentes, tabletas, portátiles y otros productos electrónicos de consumo, las baterías de iones de litio deben tener una alta densidad energética, un ciclo de vida largo y una buena seguridad. Para satisfacer la demanda de los consumidores de dispositivos delgados y portátiles y de baterías de larga duración. Las pilas de iones de litio con electrodo negativo de grafito pueden satisfacer bien estos requisitos y proporcionar una fuente de alimentación estable y fiable a los productos electrónicos de consumo. Y hacen que estos dispositivos puedan funcionar con normalidad en diversos escenarios de uso complejos. Como llamadas de larga duración, juegos de alta intensidad, reproducción de vídeo, etc., convirtiéndose en una parte indispensable de la vida y el trabajo de la gente moderna.

Vehículos eléctricos

Con la preocupación mundial por la protección del medio ambiente y el desarrollo sostenible, la vehículo eléctrico mercado ha aumentado rápidamente. Baterías de iones de litio con negativo de grafito electrodo proporcionan un apoyo energético clave para los vehículos eléctricos. Y su alta densidad energética ayuda a aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos y a reducir el número de cargas. El buen rendimiento de aumento puede satisfacer la elevada demanda de potencia de los vehículos eléctricos en condiciones de aceleración y ascenso. El largo ciclo de vida también reduce el coste de sustitución de la batería, mejora la economía y la fiabilidad de los vehículos eléctricos. Promueve el vigoroso desarrollo de la industria de vehículos eléctricos. Y también ayuda a la transformación ecológica de la industria automovilística mundial.

Sistemas de almacenamiento de energía

En los sistemas de generación de energía renovable (como la solar o la eólica) conectados a la red, de llenado de picos en redes inteligentes, de almacenamiento de energía doméstica y otros sistemas de almacenamiento de energía, las baterías de iones de litio deben tener gran capacidad, larga vida útil, alta seguridad y bajo coste. Las baterías de iones de litio con electrodo negativo de grafito presentan ciertas ventajas en estos aspectos. Pueden almacenar eficazmente el exceso de energía eléctrica y liberarla cuando sea necesario, equilibrar la oferta y la demanda de energía. Mejora la eficiencia energética y aumenta la estabilidad y fiabilidad de la red eléctrica. Y también promueve la aplicación a gran escala de las energías renovables y la optimización de la estructura energética.

 Precio de la pila de grafito

Como recurso mineral relativamente rico, el grafito tiene un coste relativamente bajo. Esto hace que las baterías de iones de litio con grafito como electrodo negativo tengan una cierta competitividad en precio. Sin embargo, con el rápido desarrollo del mercado de las baterías de iones de litio y la mejora continua de los requisitos de rendimiento de las baterías, la calidad y la tecnología de procesamiento del grafito también mejoran constantemente. Esto afectará en cierta medida a su coste. Además, otros costes de materias primas, procesos, investigación y desarrollo, y factores de oferta y demanda del mercado en el proceso de producción de baterías también influirán en el precio final de las baterías de grafito. En general, el rendimiento actual de las baterías de grafeno es más sobresaliente en términos de rentabilidad. Y puede satisfacer las necesidades de la mayoría de los escenarios de aplicación. Pero con el progreso de la tecnología y los cambios del mercado, su precio también puede fluctuar y ajustarse en consecuencia.

Conclusión

Como componente importante de las baterías de iones de litio, el grafeno desempeña un papel vital en el campo del almacenamiento de energía. Sus propiedades físicas y químicas únicas hacen que tenga ventajas evidentes en el rendimiento, el coste y la gama de aplicaciones de las baterías. Se utiliza ampliamente en muchos campos, como la electrónica de consumo, los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía. Y promueve el desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas y de la sociedad.