Batería de ion de litio para niños

Datos para niños Batería de ion de litio
Batería Li-ion Nokia para alimentar un teléfono móvil.
Energía específica	100–265 W·h/kg (0.36–0.95 MJ/kg)
Densidad energética	250–730 W·h/L (0.90–2.23 MJ/L)
Potencia específica	~250-~340 W/kg
Eficiencia carga/descarga	80–90%
Energía / precio consumidor	2.5 W·h/US$
Velocidad de autodescarga (%/mes)	8% a 21 °C 15% a 40 °C 31% a 60 °C (por mes)
Durabilidad (ciclos)	400–1200 ciclos
Voltaje de célula nominal	NMC 3.6 / 3.7 V, LiFePO4 3.2 V

Una batería de iones de litio, fabricada por Varta, expuesta en el Museum Autovision de Altlußheim, en Alemania.

La batería de iones de litio, también denominada batería Li-Ion, es un dispositivo con dos o tres celdas de energía diseñado para el almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito una sal de litio que consigue los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.

Las propiedades de las baterías de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, junto con el poco efecto memoria que sufren o su capacidad para funcionar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido diseñar acumuladores ligeros, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados a las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo. Desde la primera comercialización de un acumulador basado en la tecnología Li-ion a principios de los años 1990, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, tabletas, ordenadores portátiles y altavoces inalámbricos.

Sin embargo, su rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso explosión, requieren, en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de su uso a otras aplicaciones.

A principios del siglo XXI, en el contexto de la creciente carestía de combustibles derivados del petróleo, la industria del automóvil anunció el desarrollo, proliferación y comercialización de vehículos con motores eléctricos basados en la tecnología de las baterías de iones de litio, con los que se pueda disminuir la dependencia energética de estas fuentes a la vez que se mantiene baja la emisión de gases contaminantes.

Historia

Las baterías de litio fueron propuestas por primera vez por M.S. Whittingham, actualmente en la Universidad de Binghamton. Whittingham utilizó sulfuro de titanio(II) y metal de litio como electrodos.

En 1985, Akira Yoshino ensambló un prototipo de batería usando material carbonoso en el que se podían insertar los iones de litio como un electrodo y óxido de litio cobalto (LiCoO₂), que es estable en el aire, como el otro. Al emplear materiales sin litio metálico, se incrementó espectacularmente la seguridad sobre las baterías que utilizaban el litio metal. El uso de óxido de litio cobalto facilitó alcanzar fácilmente la producción a escala industrial.

Este fue el nacimiento de la actual batería Li-ion.

En la actualidad los grandes bancos de baterías de litio están formados principalmente por dos componentes principales, por un lado, las baterías propiamente dichas, y por otro lado, por el módulo BMS (sistema de gestión de baterías). Este último es el encargado de controlar la correcta carga y descarga de las celdas que componen la batería, de mantenerlas equilibradas, de hacer operar al banco en su área de operación segura, así como también medir la capacidad de carga y la temperatura entre otros datos. Además, le brinda la capacidad de comunicación al banco con los componentes externos, por ejemplo, el inversor de corriente y el cargador.

Baterías modernas y comercialización

Curva de aprendizaje de las baterías de iones de litio: el precio de las baterías se redujo en un 97% en tres décadas.

En 1989, Goodenough y Arumugam Manthiram de la Universidad de Texas en Austin demostraron que los cátodos que contienen polianiones (p. ej., sulfatos), producen tensiones superiores que los óxidos debido al efecto inductivo del polianión.

En 1991, Sony y Asahi Kasei lanzaron la primera batería de Li-ion comercial.

En 1996, Goodenough, Akshaya Padhi y sus colaboradores identificaron el litio ion fosfato (LiFePO₄) y otros fosfo-olivinos (fosfatos de litio metal con la misma estructura que el olivino mineral) como materiales catódicos.

En 2002, Yet-Ming Chiang y su grupo del MIT mostraron una mejora sustancial en el rendimiento de las baterías de Li-ion aumentando la conductividad del material mediante dopado con aluminio, niobio y zirconio.

En 2004, Chiang incrementó de nuevo el rendimiento utilizando partículas de fosfato de hierro de menos de 100 nanómetros de diámetro.

En 2011, las baterías de Li-ion supusieron el 66% de todas las baterías recargables en Japón.

En 2015, la empresa Tesla Motors presentó dos sistemas de almacenamiento de energía mediante baterías de ion de litio, Tesla Powerwall, cuyo fin es almacenar energía eléctrica proveniente de energías renovables, como instalaciones fotovoltaicas o eólicas.

Inconvenientes

A pesar de todas sus ventajas, esta tecnología no es el sistema perfecto para el almacenaje de energía, pues tiene varios defectos, como pueden ser:

• Duración media: depende de la cantidad de carga que almacenen, independientemente de su uso. Tienen una vida útil de unos 3 años o más si se almacenan con un 40% de su carga máxima (en realidad, cualquier batería, independientemente de su tecnología, se deteriora si se almacena sin carga. Basta con recordar el proceso de sulfatación que ocurría en las antiguas baterías de zinc-carbón cuando se almacenaban al descargarse completamente).
• Soportan un número limitado de cargas: entre 300 y 1000, menos que una batería de níquel cadmio e igual que las de Ni-MH, por lo que ya empiezan a ser consideradas en la categoría de consumibles.
• Son costosas: su fabricación es más costosa que las de Ni-Cd e igual que las de Ni-MH, si bien el precio en la actualidad baja rápidamente debido a su gran penetración en el mercado, con el consiguiente abaratamiento. Podemos decir que se utilizan en todos los teléfonos móviles y ordenadores portátiles del mundo y continúa extendiéndose su uso a todo tipo de herramientas portátiles de baja potencia.
• Pueden sobrecalentarse hasta el punto de explotar: están fabricadas con materiales inflamables que las hace propensas a detonaciones o incendios, por lo que es necesario dotarlas de circuitos electrónicos que controlen en todo momento su temperatura.
• Peor capacidad de trabajo en frío: ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de Ni-Cd o Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un 25%.
• Tensión muy variable: debido a que la variación de la tensión de celda es muy grande, se hace imprescindible usar un pequeño convertidor CC/CC en función de la aplicación de la que se trate si se quiere tener una tensión de salida constante.

Cuidados de la batería

Batería Canon LP-E6N para equipos fotográficos.

Estas baterías tienen el menor efecto memoria de todas las demás tecnologías, por ello es necesario que tras un número de ciclos incompletos se realice una calibración completa de la batería para que el efecto memoria desaparezca. Para alargar su vida útil necesitan ciertos cuidados:

• No es cierto que sea beneficioso el dejar descargarse la batería periódicamente. Al contrario, puede perjudicar la eficacia. Lo mejor es evitar que la carga baje más allá de un 15%.
• Es recomendable que permanezcan en un sitio fresco (15 °C) y evitar el calor. Son muy sensibles a la temperatura; dejarlas al sol y la humedad disminuye su rendimiento.
• Cuando se vayan a almacenar mucho tiempo, se recomienda dejarlas con carga intermedia (40%). Asimismo, se debe evitar mantenerlas con carga completa durante largos períodos.
• La primera carga no es decisiva en cuanto a su duración ni es preciso hacerla; el funcionamiento de una batería de ion de litio en la primera carga es igual al de las siguientes. Es un mito probablemente heredado de las baterías de níquel.
• Es necesario cargarlas con un cargador específico para esta tecnología. Usar un cargador inadecuado dañará la batería y puede hacer que se incendie.
• Para recargar no es imprescindible usar un cargador específico para la marca y modelo del dispositivo (a pesar de ser lo ideal, también es costoso). Se puede emplear cualquier cargador de buena calidad y que cumpla con las características eléctricas del dispositivo.
• La mayoría de los dispositivos actuales tiene un comportamiento inteligente. En otras palabras, pueden detectar cuándo se completó la carga de sus baterías para desconectarlas automáticamente y desviar la corriente al resto del dispositivo.
• Existen bolsas especiales ignífugas donde poder almacenarlas, ya que estas baterías son muy delicadas.

Ventajas

Batería comercial de Li-ion.

Esta tecnología se ha situado como la más interesante en su clase para usarlas en ordenadores portátiles, teléfonos móviles y otros aparatos eléctricos y electrónicos. Los teléfonos móviles, las tabletas y los equipos portátiles vienen con baterías basadas en esta tecnología, gracias a sus varias ventajas:

• Una elevada densidad de energía: acumulan mucha mayor carga por unidad de peso y volumen.
• Poco peso: a igualdad de carga almacenada, son menos pesadas y ocupan menos volumen que las de tipo Ni-MH y mucho menos que las de Ni-Cd y plomo.
• Gran capacidad de descarga. Algunas baterías de Li-ion —las llamadas "Lipo" Litio-ion Polímero (ion de litio en polímero)— que hay en el mercado, se pueden descargar totalmente en menos de dos minutos.
• Alta tensión por célula: cada batería proporciona 3,7 voltios, lo mismo que tres baterías de Ni-MH o Ni-Cd (1,2 V cada una).
• Mínimo efecto memoria.
• Descarga lineal: durante toda la descarga, la tensión varía mucho: si la tensión nominal de una celda de litio es de 3,6V, la tensión máxima se hallará en torno a 4,2V, mientras que la tensión mínima recomendada es 2,5V para evitar la descarga profunda de la batería y la reducción de su vida útil. Esto significa que la variación de la tensión de celda con respecto al estado de carga es constante. Es decir, la pendiente de la recta dV/dC es constante (si se representa gráficamente, la tensión en función de la descarga es una línea recta). Eso facilita el conocer con buena precisión el estado de carga de la batería.
• Larga vida en las baterías profesionales para vehículos eléctricos (con el tipo LiFePO₄). Algunos fabricantes muestran datos de más de 3000 ciclos de carga/descarga para una pérdida de capacidad del 20% a C/3.
• Facilidad para saber la carga que almacenan. Basta con medir, en reposo, la tensión de la batería. La energía almacenada es una función de la tensión medida.
• Muy baja tasa de autodescarga: cuando guardamos una batería, ésta se descarga progresivamente aunque no la usemos. En el caso de las baterías de Ni-MH, esta "autodescarga" puede suponer más de un 20% mensual, salvo en las Ni-MH con tecnología LSD (Low Self Discharge, baja autodescarga) que pueden mantener un 80% de carga después de un año. En el caso de Li-ion es de menos un 6% mensual. Muchas de ellas, tras seis meses en reposo, pueden retener un 80% de su carga.

Combinaciones

Hay que tener en cuenta que existen en el mercado numerosas combinaciones de litio, lo que puede llevar a muchas características diferentes. Entre ellas encontramos:

• Las baterías de ion de litio en polímero, en las que la principal diferencia con las baterías de ion de litio ordinarias es que el electrolito litio-sal no está contenido en un solvente orgánico, sino en un compuesto polimérico sólido como el óxido de polietileno o poliacrilonitrilo. Las ventajas del litio polímero sobre el litio-ion son: menores costes de fabricación, adaptabilidad a una amplia variedad de formas de empaquetado, confiabilidad y resistencia.
• Las de litio hierro fosfato (LiFePO₄), también conocidas como LFP. Comparadas con las baterías tradicionales de ion de litio, en las que el LiCoO₂ es uno de sus componentes más caros, las de litio hierro fosfato son significativamente más baratas de producir.
• Las de tipo olivino de litio hierro fosfato. Tienen la característica de que pueden durar unos 10 años si se cargan una vez al día. Además de tener una larga vida, se pueden cargar muy rápidamente, ya que emplean sólo dos horas para el 95% de su capacidad. Entre otros está comercializada por Sony Business Solutions (ESSP-2000).

Estándares

El IEEE ha establecido los estándares:

• 1625 baterías de ordenador portátil.
• 1725 baterías de teléfono móvil.
• 1825 baterías de cámaras de fotografía o de video.

Véase también

En inglés: Lithium-ion battery Facts for Kids

• Batería de ácido de plomo
• Batería de flujo
• Batería de nanocables
• Batería de silicio-aire
• Grafeno
• Metal pesado
• Metal de transición
• Silicio
• Sobretensión