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Mecanismo de intercalación de iones de litio

1980
  • M. Stanley Whittingham
  • John B. Goodenough
  • Akira Yoshino
Proceso de desmontaje de baterías de iones de litio en laboratorio de electroquímica.

(generate image for illustration only)

Lithium-ion batteries function via an intercalation mechanism, a reversible insertion of ions into a layered host material. During discharge, litio ions ([latex]Li^+[/latex]) de-intercalate from a negative electrode (anode), typically graphite, and move through a non-aqueous electrolyte to intercalate into a positive electrode (cathode), typically a metal oxide. Electrons travel through the external circuit, creating current.

The concept of intercalation is central to the success of lithium-ion batteries. Unlike older battery chemistries where the electrodes undergo significant chemical phase changes, intercalation involves lithium ions acting as ‘guests’ that slide into and out of the ‘host’ crystalline structure of the electrode materials. For the anode, the host is typically graphite, which has a layered structure allowing [latex]Li^+[/latex] ions to fit between its graphene sheets, forming [latex]LiC_6[/latex]. For the cathode, the host is a metal oxide, such as lithium cobalt oxide ([latex]LiCoO_2[/latex]), where lithium ions occupy layers between cobalt oxide sheets.

This process is highly reversible and does not dramatically alter the host’s structure, which leads to a long cycle life with minimal degradation. The movement of ions is facilitated by a non-aqueous organic electrolyte, as lithium is highly reactive with water. A micro-porous polymer separator keeps the anode and cathode from touching and short-circuiting while allowing ions to pass through.

During charging, an external voltage forces the process to reverse: lithium ions are extracted from the cathode, travel back across the electrolyte, and re-insert into the graphite anode. The high electrochemical potential of lithium, combined with its low atomic weight, allows for batteries with very high energy density and specific energy, which is why they have revolutionized portable electronics and are enabling the transition to electric vehicles.

UNESCO Nomenclature: 2203
- Electroquímica

Tipo

Proceso químico

Disrupción

Revolucionario

Utilización

Uso generalizado

Precursores

  • Descubrimiento del metal litio y su alto potencial electroquímico
  • Investigación fundamental sobre compuestos de intercalación en la década de 1970
  • Desarrollo de electrolitos no acuosos estables
  • Prototipos tempranos e inseguros de baterías recargables de metal de litio

Aplicaciones

  • teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y tabletas
  • vehículos eléctricos (VE)
  • herramientas eléctricas inalámbricas y equipos de jardinería
  • sistemas de almacenamiento de energía a escala de red
  • dispositivos médicos implantables y audífonos

Patentes:

  • US4357215A

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