Existen varios tipos de baterías de iones de litio y los diferentes tipos de baterías se diferencian por el uso de diferentes materiales catódicos.

En este artículo, describiré las ventajas, desventajas y aplicaciones de los materiales catódicos de manganato de litio, así como los principales métodos de preparación.

¿ Qué es el manganato de litio ?

El manganato de litio, con fórmula química LiMn2O4 , tiene una estructura cristalina de espinela cúbica y contiene tres canales de transporte espacial de iones de litio. Por lo tanto, en comparación con otros materiales catódicos, el material catódico de manganato de litio tiene una tasa de difusión de iones más alta y es adecuado para baterías de iones de litio que requieren una tasa de carga alta.

El manganato de litio es uno de los materiales catódicos de iones de litio más prometedores. El manganato de litio tipo espinela pertenece al sistema de cristal cúbico, grupo espacial Fd3m, con una capacidad teórica específica de 148 mAh/g.

Debido a la estructura de túnel tridimensional, los iones de litio se pueden extraer de forma reversible de la red de espinela sin inducir el colapso estructural, lo que da como resultado un excelente rendimiento y estabilidad de la multiplicidad.

¿Qué hace el manganato de litio?

Se utiliza principalmente como material catódico para baterías de iones de litio utilizadas en la fabricación de dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles y ordenadores portátiles. El uso principal del óxido de litio y manganeso es para baterías de nueva energía, y otros usos incluyen herramientas eléctricas, juguetes eléctricos y otras herramientas de almacenamiento de energía que requieren movilidad. Piezas de baterías de iones de óxido de manganeso y litio para herramientas neumáticas, equipos médicos, vehículos híbridos y de nuevas energías.

Ventajas y desventajas del manganato de litio.

Se dice que el manganato de litio tiene una estructura de espinela, que se refiere a su forma cristalina cuando se aplica a las baterías de litio. También existe una estructura en capas cuando no se utiliza manganato de litio en baterías de litio.

La estructura de espinela es relativamente más estable que la estructura en capas (aunque basándonos en la química, parece posible pensar también en la estabilidad de las diferentes formas en la geometría), por lo que la estructura de espinela todavía se utiliza en aplicaciones prácticas.

Además del manganato de litio, el cobaltato de litio y el cátodo de batería ternaria de litio también tienen estructura de espinela, pero la estructura de espinela del manganato de litio es muy distintiva en comparación con sus dos contrapartes.

Ventajas:

l Abundantes reservas de manganeso, que pueden reducir significativamente el costo de las baterías y facilitar la producción y aplicación industrial a gran escala.

l Las baterías con electrodos positivos LiMn2O4 son seguras y resistentes a la sobrecarga y descarga incluso sin circuitos de protección; tienen buen rendimiento de multiplicación y son resistentes a las bajas temperaturas.

l El manganeso no es tóxico ni contaminante, y la solución de su problema de reciclaje ha acumulado una rica experiencia en baterías primarias, por lo que el uso de materiales catódicos de LiMn2O4 favorece la protección del medio ambiente.

Desventajas:

El material en sí es inestable, necesita mezclarse con otros materiales, tiene un rendimiento deficiente a altas temperaturas, un rendimiento cíclico deficiente y se descompone rápidamente.

Estas desventajas del manganato de litio se deben a las propiedades del manganeso. Sin embargo, debido a la amplia disponibilidad de manganeso, tiene importantes ventajas económicas.

Los principales métodos de preparación de manganato de litio.

En la actualidad, existen seis métodos para la preparación de manganato de litio, que se clasifican en método de fase sólida de alta temperatura, método de impregnación por fusión, método de síntesis por microondas, método de síntesis hidrotermal, método de coprecipitación y método sol-gel.

Entre ellos, existen dos tipos principales de manganato de litio en el mercado: el tipo AB, el tipo A se refiere al material utilizado para baterías de energía, que se caracteriza por las principales consideraciones de seguridad y reciclaje, y el tipo B se refiere a las alternativas para móviles. baterías de teléfonos, que se caracteriza principalmente por su alta capacidad 

① El proceso básico del método de fase sólida a alta temperatura es el siguiente: mezclar → tostar → moler → tamizar → producto. El método de fase sólida tiene las ventajas de un proceso de operación simple, producción en masa y bajo costo.

② El método de impregnación en estado fundido se refiere al mejor método para preparar manganato de litio tipo espinela mediante el método de fase sólida.

Se pueden obtener materiales de electrodos negativos con excelente rendimiento electroquímico, pero no son propicios para la industrialización debido a la complejidad de la operación y las duras condiciones.

③El método de síntesis por microondas es significativamente diferente del método convencional en fase sólida de alta temperatura en la síntesis de materiales. Con este método se preparan materiales con excelentes propiedades electroquímicas y el tiempo de reacción de síntesis se puede reducir considerablemente.

④ Síntesis hidrotermal LiMn2O4, el material de ánodo para baterías de iones de litio sintetizado por síntesis hidrotermal, tiene una estructura cristalina estable y un estado cristalino uniforme, por lo que el material sintetizado tiene excelentes propiedades físicas y electroquímicas.

⑤ Los materiales de las baterías de iones de litio preparados mediante el método de coprecipitación no solo tienen una mayor capacidad electroquímica y un ciclo de vida más largo, sino que también tienen las ventajas de un proceso simple, una operación conveniente y una velocidad de reacción rápida.

⑥ El método sol-gel es en realidad una rama del método de coprecipitación. El LiMn2O4 producido tiene excelentes propiedades físicas y electroquímicas, pero no es favorable para la producción industrial debido a problemas como el alto costo.

Comparación de manganato de litio y otros materiales de baterías de litio

En comparación con los materiales catódicos tradicionales, como el cobaltato de litio, el manganato de litio tiene las ventajas de recursos abundantes, bajo costo, ausencia de contaminación, buena seguridad y buen rendimiento multiplicador.

Es un material catódico ideal para baterías eléctricas, pero su bajo rendimiento cíclico y su estabilidad electroquímica limitan en gran medida su industrialización. En segundo lugar, en comparación con la batería ternaria de iones de litio/ LiFePO4 , la batería Li-Mn2O4 tiene la ventaja de ser más barata. El problema temporal es el número de ciclos. Tiene varios escenarios de aplicación muy interesantes.

Los vehículos eléctricos de dos ruedas se utilizan en un entorno más hostil que los automóviles y la probabilidad de vadeo y colisión es mayor que la de los automóviles. Desde un punto de vista económico, el coste de la batería no debería ser demasiado elevado.

En comparación con el material LiFePO4, LiMn2O4 es más barato y seguro. En comparación con el material LiFePO4, LiMn2O4 no se desprenderá tan fácilmente a bajas temperaturas en invierno y el rendimiento de carga seguirá siendo el mismo. Pero ahora también existen baterías de fosfato de hierro y litio para bajas temperaturas, pero el costo también es muy alto. Con el tiempo, el manganato de litio se convierte en una de las buenas opciones.

Según las estadísticas, la proporción de baterías de litio y ácido manganeso en baterías de litio para vehículos de dos ruedas es del 42 por ciento en el año fiscal 2019, del 45 por ciento en el año fiscal 20 y del 56 por ciento en el año fiscal 21.

Perspectivas del manganato de litio

Según las estadísticas, entre el 85 y el 90 por ciento de la actual estructura de consumo de manganeso de China se utiliza en la industria del hierro y el acero, y entre el 5 y el 10 por ciento se utiliza en la industria de las baterías y la industria química. En los últimos años, el rápido desarrollo de nuevos materiales, vehículos eléctricos y otras industrias manufactureras ecológicas proporcionará un amplio mercado para el dióxido de manganeso electrolítico, el manganato de litio, el sulfato de manganeso de alta pureza y otros materiales anódicos.

China envió 510.000 toneladas de materiales catódicos, de las cuales 66.000 toneladas de manganato de litio, lo que representa el 13%. Aunque la demanda de baterías digitales de gama baja y las exportaciones a otros países disminuyeron en la primera mitad del año debido a la epidemia, la demanda de baterías eléctricas para vehículos de dos ruedas, que comenzó a explotar durante la epidemia, apoyó el mercado del manganato de litio.

La producción de manganato de litio de China alcanzó las 92.900 toneladas, un aumento interanual del 21,6%, y se espera que alcance las 109.000 toneladas. En la actualidad, hay más de 40 empresas de materiales de ánodos de manganato de litio en China, y el 90% de su capacidad de producción es generalmente inferior a 10.000 toneladas. Faltan empresas líderes y la integración industrial está a la vuelta de la esquina.