Cátodo de Batería
El cátodo, componente crucial en el funcionamiento de las baterías, representa el electrodo positivo o de oxidación. Durante la reacción electroquímica, el cátodo adquiere electrones del circuito externo y se reduce. En las baterías de litio, los materiales del cátodo se construyen generalmente a partir de LiCoO2 o LiMn2O4. Es fundamental que el cátodo mantenga una gran cantidad de litio sin cambios significativos en su estructura, posea una buena estabilidad química y electroquímica con el electrolito, sea un buen conductor eléctrico y difusor de iones de litio, y además, sea económico.
Composición de las Baterías
Las baterías están compuestas por una amplia gama de materiales, lo que resulta en diferentes capacidades y comportamientos en la funcionalidad de la batería. Los materiales más comunes son plomo, níquel, zinc y litio, cada uno con diferentes rendimientos y específicos para distintos propósitos, según los requerimientos. Se han producido muchos tipos de células electroquímicas, con diferentes procesos químicos y diseños, incluyendo células galvánicas, células electrolíticas, células de combustible, células de flujo y pilas voltaicas.
Células Húmedas y Secas
Una batería de célula húmeda tiene un electrolito líquido. Otros nombres son célula inundada, ya que el líquido cubre todas las partes internas, o célula ventilada, puesto que los gases producidos durante la operación pueden escapar al aire. Las células húmedas fueron precursoras de las células secas y se utilizan comúnmente como herramienta de aprendizaje para la electroquímica. Una célula seca utiliza un electrolito en pasta, con solo suficiente humedad para permitir el flujo de corriente. A diferencia de una célula húmeda, una célula seca puede operar en cualquier orientación sin derrames, ya que no contiene líquido libre, lo que la hace adecuada para equipos portátiles.
Composición Química y Material de las Baterías
La composición química y material de las baterías determina su tamaño, formato y rendimiento general. Por lo tanto, cada batería tiene una composición diferente. Sin embargo, la mayoría de las baterías tienen algunos componentes comunes, aunque su composición material puede variar.
Ánodo
El ánodo es el electrodo negativo o reductor que libera electrones al circuito externo y se oxida durante una reacción electroquímica. Uno de los materiales de ánodo más comunes utilizados hoy en día es el grafito litado, LixC6, que está compuesto por hojas de grafito intercaladas con litio. Se están investigando nuevos materiales basados en silicio y otras mezclas elementales. El grafito litado tiene una celda unitaria con una estructura HCP.
Electrolito
Un electrolito es un medio que contiene iones y es conductor eléctrico a través del movimiento de estos iones, pero no conduce electrones. El electrolito de la batería es una solución dentro de las baterías. Dependiendo del tipo de batería, puede ser una sustancia líquida o similar a una pasta. La elección del electrolito en todas las baterías es crítica para el rendimiento y la seguridad. En las baterías de iones de litio, el electrolito suele ser una sal de litio disuelta en solventes orgánicos. Un buen electrolito debe tener baja reactividad con otros componentes de la célula, alta conductividad iónica, baja toxicidad, un amplio rango de estabilidad de voltaje electroquímico (0-5V) y ser térmicamente estable. Se emplea hidróxido de potasio acuoso como electrolito en baterías alcalinas basadas en níquel-cadmio, níquel-hidrógeno y dióxido de manganeso-zinc.
Separador
Un separador es una membrana permeable colocada entre el ánodo y el cátodo de una batería. La función principal del separador es mantener separados ambos electrodos para prevenir cortocircuitos eléctricos, permitiendo al mismo tiempo el transporte de portadores de carga iónica necesarios para cerrar el circuito durante el paso de corriente en una célula electroquímica. Las células de electrolito líquido disponibles comercialmente utilizan materiales poliolefínicos microporosos, como polietileno (PE) o polipropileno (PP). Los separadores en las baterías de iones de litio deben ser electroquímicamente y químicamente estables en relación con el electrolito y los materiales del electrodo. Se están desarrollando separadores funcionales que utilizan membranas recubiertas con MOF para realizar las funciones duales del electrolito y el separador, con el fin de apoyar el diseño de baterías de metal-litio de alto rendimiento para sistemas de alta energía en vehículos eléctricos y aeronaves eléctricas.
Colectores de Corriente
Los colectores de corriente son el componente de la batería responsable de transferir el flujo de electrones de los electrodos a un circuito externo. Varios tipos de colectores de corriente están disponibles: malla, espuma y lámina. Para minimizar el tamaño general y mejorar la capacidad volumétrica de las células, se prefieren láminas metálicas delgadas y ligeras. Los colectores de corriente son un volumen electroquímicamente inactivo en la célula, pero forman el sustrato sobre el que se aplican los materiales electroquímicamente activos con un agente conductor y un adhesivo aglutinante. Por lo tanto, los colectores de corriente deben poseer una alta conductividad eléctrica para reducir la resistencia de la célula, así como estabilidad química en contacto con el electrolito líquido sobre la ventana operativa de voltaje de los electrodos.
