Para las baterías de iones de litio, la corriente de salida máxima está determinada por la velocidad de difusión de los iones de litio en el material del cátodo.
Durante la descarga, los iones de litio se desprenden del ánodo de carbono dentro de la celda, fluyen a través del electrolito y se vuelven a unir al cátodo. Un electrón realiza la transferencia correspondiente a través del circuito externo (esto es lo que impulsa la electrónica).
La corriente máxima que puede suministrar la celda (es decir, la cantidad máxima de electrones o carga que puede suministrar la celda por segundo) depende, por lo tanto, de cuántos iones de litio pueden fluir dentro de la celda. Y con la tecnología de litio actual, el factor limitante es la rapidez con la que el ion de litio puede incorporarse al cátodo, un proceso conocido como intercalación.
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Uno de los principales mecanismos que limitan la velocidad de intercalación es la difusión de litio dentro del cátodo; en resumen, una vez que un ion de litio ha recogido su electrón cerca de la superficie del electrodo, simplemente se cuelga, entorpeciendo la entrada. iones de litio, y ralentizando las cosas. El litio tiene que difundirse en el cátodo para dar paso a más litio entrante.
Una forma de maximizar la velocidad de difusión es tener un área de superficie de electrodo tan grande como sea posible. Esto le da a los iones de litio entrantes muchos sitios de intercalación, sin ser retenidos por una acumulación de átomos de litio que no reaccionan. Sin embargo, el efecto secundario de aumentar el área de superficie es reducir el material de cátodo a granel disponible para almacenar litio, lo que resulta en una menor capacidad celular. Por el contrario, reducir el área de superficie permite que una celda retenga más litio y, por lo tanto, tenga una mayor capacidad, pero con tasas de carga / descarga limitadas.
Los fabricantes de baterías pueden hacer esta compensación entre la capacidad y la velocidad de descarga: las baterías se pueden fabricar para densidad de energía (alta capacidad) o densidad de potencia (alta salida de corriente), o en cualquier punto intermedio. Por ejemplo, las baterías de teléfonos y computadoras portátiles son comúnmente productos químicos de LiCoO2, y son químicamente iguales que los paquetes de baterías para aviones no tripulados y aviones controlados por radio, pero mientras que las baterías de teléfonos y computadoras portátiles tienen una tasa de descarga máxima de 1C porque no necesitan suministrar mucho de potencia y, por lo tanto, están diseñados para maximizar la capacidad de la batería; Los paquetes de baterías para aviones RC tienen una velocidad de descarga máxima de aproximadamente 35C porque las baterías están diseñadas para las altas velocidades de descarga que necesitan los motores potentes.
Esto es fundamentalmente también por qué los fabricantes de baterías especifican las tasas de descarga en términos de C , o múltiplos de la capacidad. Una vez que el fabricante ha producido el material del cátodo de acuerdo con su compensación de energía vs potencia deseada (léase: capacidad vs corriente de salida), el cátodo se puede cortar en tamaños de celda deseados. Duplicar el tamaño de la celda mientras se usa el mismo material del cátodo no solo duplica la capacidad, sino que también duplica la superficie del electrodo y, por lo tanto, la capacidad actual. Esencialmente, el valor de C permanece constante independientemente del tamaño de la celda.
Aparte de la estructura del cátodo, la química del cátodo también tiene un impacto. A continuación se presentan algunas representaciones geométricas de estructuras químicas de cátodos. LiCoO2 (óxido de litio cobalto (di)) es la química de litio común que se encuentra en las baterías de su teléfono celular y computadora portátil. Es una de las muchas químicas posibles.
Cada una de las diferentes químicas del cátodo tiene diferentes características de velocidad de carga o descarga, estabilidad térmica (que determina qué tan grave es el fuego de una batería), densidad de energía (relación capacidad / peso) y estabilidad estructural (que determina cuántos ciclos de carga / descarga así como posibilidad de cortocircuitos internos). Algunos, como LiFePO4 anterior, tienen tasas de carga / descarga significativamente más altas que LiCoO2, y son mucho más seguros (no se incendian tan fácilmente), pero a expensas de una menor densidad de energía (aproximadamente un 40% menos).
Tesla, por ejemplo, usa NCA (óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio, que no se muestra arriba), que tiene tasas de carga / descarga comparables a las de LiCoO2 y un beneficio de seguridad marginal, pero puede contener más energía, aunque es más costosa.
Entonces, si tiene una aplicación que necesita suministro de energía por encima de todo lo demás, entonces optaría por productos químicos que pueden suministrar energía como LiFePO4 y los construiría con un área de superficie catódica alta. Las baterías A123 son un ejemplo de esto. Por el contrario, si tiene una aplicación que necesita densidad de energía por encima de todo lo demás, entonces optaría por productos químicos que almacenan más litio como LiCoO2 y NCA, y los construiría con un alto volumen de electrodos a granel. No es sorprendente que las baterías de las computadoras portátiles y los teléfonos se construyan de esta manera.
Una vez dicho todo esto, puede llegar un punto en el que la tasa de intercalación / difusión del cátodo no sea el factor limitante para la corriente de descarga. Y la situación es diferente nuevamente para las químicas que no son de litio.