1. Resolución de voltaje de baterías de iones de litio
(1) Voltaje del circuito abierto: se refiere al voltaje de la batería de iones de litio cuando no está en condiciones de trabajo. En este estado, no hay corriente que fluya dentro de la batería, y su voltaje está representado por la diferencia de potencial entre los electrodos positivos y negativos. Cuando la batería está completamente cargada, el voltaje de circuito abierto es típicamente alrededor de 3.7V y puede ser tan alto como 3.8V en algunos casos.
(2) Voltaje de trabajo: en comparación con el voltaje del circuito abierto, es el voltaje de la batería de iones de litio en el estado de trabajo. En este momento, hay corriente que fluye a través de la batería, y cuando la corriente pase, se verá obstaculizada por la resistencia interna, por lo que el voltaje de funcionamiento siempre es más bajo que el voltaje del circuito abierto cuando está completamente cargado.
(3) Voltaje de terminación: es decir, el voltaje crítico al que la batería no debe continuar descargando después de que se descarga a un cierto valor de voltaje. Este valor de voltaje está determinado por la propia estructura de la batería de iones de litio, y bajo la acción de la placa de protección, el voltaje de la batería generalmente se estabiliza a alrededor de 2.95 V cuando se termina la descarga.
(4) Voltaje estándar: desde el nivel principal, el voltaje estándar también se conoce como voltaje nominal, que es el valor estándar de la diferencia de potencial generada por la reacción química de los materiales de electrodo positivos y negativos de la batería. El voltaje nominal de las baterías de iones de litio es de 3.7V, lo que muestra que el voltaje estándar es en realidad el voltaje de funcionamiento en el estado estándar.
A juzgar por los cuatro voltajes de batería de iones de litio mencionados anteriormente, los voltajes involucrados en el estado de trabajo son el voltaje estándar y el voltaje de trabajo; Cuando no está en el estado de trabajo, el voltaje se refleja como el voltaje del circuito abierto y el voltaje final. Debido a que la química de las baterías de iones de litio es repetible, deben cargarse rápidamente cuando el voltaje de la batería cae al voltaje de terminación. Si no se cobra por mucho tiempo, conducirá a una reducción significativa en la duración de la batería y, en casos severos, incluso puede desecharse.
Durante todo el proceso de descarga, la curva de voltaje de la batería de iones de litio se puede dividir en tres etapas:
2. El voltaje de las baterías de litio está estrechamente relacionado con el potencial de electrodo de los materiales de electrodo positivos y negativos de la batería
El voltaje de las baterías de litio varía según el material, principalmente por las siguientes razones:
(1) La influencia de las propiedades químicas de los materiales de electrodos
El proceso de carga y descarga de las baterías de litio es esencialmente el proceso de iones de litio que migran entre electrodos positivos y negativos, y las propiedades químicas de los materiales de electrodos son los factores centrales que determinan el voltaje de la batería. Tomando materiales de cátodo común como ejemplo, el elemento cobalto en el óxido de cobalto de litio (Licoo₂) tiene un alto potencial redox, lo que facilita la liberación de iones de litio y electrones de salida cuando trabajan. Cuando se combina con un ánodo de grafito, el voltaje de batería resultante puede alcanzar alrededor de 3.7V. El material del cátodo de fosfato de hierro de litio (LifePo₄), debido a que el potencial redox del hierro es más bajo que el de Cobalt, el voltaje de la batería compuesto de ánodo de grafito generalmente es estable a aproximadamente 3.2 V. La causa raíz de esta diferencia de voltaje radica en la diferencia en la distribución y la estructura química de la nube de electrones de diferentes elementos, lo que a su vez conduce a diferencias en su capacidad para ganar y perder electrones y liberar iones de litio.
(2) cambios de voltaje causados por diferencias de estructura cristalina
La influencia de la estructura cristalina del material en el voltaje de la batería de litio es igualmente importante. Los materiales ternarios (Li (Nicomn) O₂) son representantes típicos, y los tres elementos de níquel, cobalto y manganeso optimizan la estructura cristalina del material a través de la acción sinérgica, de modo que la ruta de difusión de los iones de litio es más suave, y los procesos de incrustación y escape son más suaves. Cuando se combina con un electrodo negativo adecuado, se puede formar una plataforma de voltaje más alta, típicamente entre 3.6-3.7V. Mirando el óxido de manganeso de litio (Limn₂o₄), su estructura de espinela tiene el problema de la disolución de iones de manganeso durante la carga y descarga, lo que obstaculizará la difusión de iones de litio, lo que resulta en un voltaje de batería relativamente bajo de aproximadamente 3.0 V. Obviamente, las diferencias en la estructura cristalina pueden afectar significativamente el rendimiento del transporte de los iones de litio en el material, que a su vez tiene un impacto en el voltaje de la batería.
(3) La relación entre densidad de energía y voltaje
Existe una fuerte correlación entre la densidad de energía del material del electrodo y el voltaje de la batería. Los materiales con alta densidad de energía pueden almacenar más energía por unidad de masa o volumen, lo que generalmente corresponde a voltajes más altos. Por ejemplo, con el aumento del contenido de níquel, la densidad de energía del material aumenta y el voltaje de la batería también aumentará. Esto no solo mejora el rendimiento general de la batería, sino que también cumple con algunos escenarios de aplicación que requieren alta energía. Sin embargo, los materiales tempranos de la batería de litio, debido a su baja densidad de energía, no podían almacenar suficiente energía en la unidad, y el voltaje correspondiente también fue bajo, lo que dificulta satisfacer las necesidades de los equipos modernos para alta energía y alto voltaje.
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