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.

Las baterías de iones de litio, también conocidas como baterías Li-Ion, son dispositivos que almacenan energía eléctrica. Están compuestas por varias celdas conectadas. Utilizan una sal de litio como electrolito, que es una sustancia que permite el movimiento de iones. Este movimiento es clave para la reacción electroquímica que ocurre entre el cátodo (polo positivo) y el ánodo (polo negativo) de la batería.

Una batería de ion de litio tiene cuatro partes principales: el ánodo, el cátodo, un separador y el electrolito. Cuando la batería se descarga, el ánodo libera electrones. Al cargarse, el ánodo recibe electrones. En el cátodo, ocurre lo contrario.

Las baterías de iones de litio son muy populares por varias razones. Son ligeras, pueden almacenar mucha energía y no se descargan fácilmente. Además, tienen poco "efecto memoria", lo que significa que no "recuerdan" cargas incompletas. También pueden cargarse y descargarse muchas veces. Gracias a estas características, se han podido crear baterías pequeñas y potentes, ideales para la electrónica de uso diario. Desde que se empezaron a vender a principios de los años 1990, se usan en teléfonos móviles, tabletas, ordenadores portátiles y altavoces inalámbricos.

Sin embargo, estas baterías pueden degradarse con el tiempo y son sensibles a las altas temperaturas. Si se calientan demasiado, podrían dañarse o incluso incendiarse. Por eso, las baterías de consumo incluyen sistemas de seguridad adicionales, lo que las hace un poco más caras. Esto ha limitado su uso en otras áreas.

A principios del siglo XXI, con el aumento del interés en energías más limpias, la industria automotriz comenzó a desarrollar vehículos eléctricos que usan baterías de iones de litio. Esto ayuda a reducir la dependencia del petróleo y a disminuir la contaminación.

¿Cómo surgieron las baterías de iones de litio?

Las primeras ideas para las baterías de litio fueron propuestas por M.S. Whittingham. Él usó sulfuro de titanio y litio metálico para los electrodos.

En 1985, Akira Yoshino creó un prototipo de batería. Usó un material de carbono para un electrodo y óxido de litio y cobalto (LiCoO₂) para el otro. Este óxido es estable al aire. Así se logró que el litio se moviera de forma segura entre los electrodos.

Al no usar litio metálico, la seguridad de estas baterías mejoró mucho. El uso de óxido de litio y cobalto también facilitó su producción a gran escala. Así nació la batería de ion de litio que conocemos hoy.

Actualmente, las grandes baterías de litio, como las que se usan en sistemas de almacenamiento de energía, tienen dos partes clave. Una son las celdas de la batería y la otra es el módulo BMS (Sistema de Gestión de Baterías). El BMS se encarga de controlar que las celdas se carguen y descarguen correctamente. También las mantiene equilibradas, asegura que funcionen de forma segura y mide su capacidad y temperatura. Además, permite que la batería se comunique con otros aparatos, como cargadores o inversores de corriente.

La investigación actual busca baterías de litio que no usen litio metálico, sino iones de litio, como el dióxido de cobalto y litio (LiCoO2). Aunque estas tienen una densidad de energía un poco menor, son más seguras si se cargan y descargan con cuidado.

El litio es el metal más ligero y tiene un gran potencial para almacenar energía. Usar litio metálico en el electrodo negativo permite que las baterías recargables ofrezcan alto voltaje y excelente capacidad.

En los primeros años de producción, se notaron problemas de sobrecalentamiento y explosiones. Se descubrió que, después de cada ciclo de carga y descarga, se formaban pequeñas estructuras de litio llamadas dendritas. Estas podían cruzar la barrera del electrolito y causar un cortocircuito.

Desde que se comercializaron a principios de los años 1990, las baterías de ion de litio se han vuelto muy comunes en dispositivos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y reproductores de música.

El litio en Argentina

Argentina tiene importantes reservas de litio en salares como el Salar del Hombre Muerto, el Salar de Antofalla y el Salar de Arizaro. Estos se encuentran en la Puna de Atacama, en las provincias de Catamarca, Jujuy y Salta. En 2022, el USGS estimó que Argentina posee alrededor del 10% de las reservas de litio del mundo.

Tradicionalmente, la extracción de litio en Argentina ha estado a cargo de empresas que generan ganancias para el país. Esto permite seguir comprando baterías y celdas a otros países, como China.

Debido a sus grandes reservas de litio y a los avances tecnológicos en energía nuclear y tecnología satelital, Argentina tiene el potencial para desarrollar y producir sus propias baterías de iones de litio.

Actualmente, se están construyendo plantas y fábricas en Argentina para producir celdas de litio. El objetivo es fabricar baterías adaptadas a las necesidades del país. Aunque no cubrirán toda la demanda, es un paso importante para desarrollar tecnología propia. Esto añade valor al litio y busca métodos de producción más amigables con el medio ambiente. Varias instituciones, como la Universidad de La Plata, Y-TEC y Conicet, participan en estos proyectos.

La primera celda de ion-litio hecha en Argentina se produjo en los laboratorios del INIFTA. Desde entonces, el INIFTA ha compartido sus conocimientos con otros centros, incluyendo a Y-TEC, una importante empresa de desarrollo tecnológico en Argentina.

Reconocimiento Internacional para el litio argentino

En 2017, Ernesto Calvo, profesor e investigador del Conicet, ganó el concurso global "Bright Minds Challenge". Este concurso busca soluciones de energía renovable que mejoren la energía solar o el almacenamiento de energía.

La propuesta de Calvo fue reconocida por ser amigable con el medio ambiente. Permite extraer litio de salmueras naturales en salinas de gran altitud usando energía solar. Según él, esta innovación también ayudaría a reciclar las baterías de litio.

Plantas de fabricación y producción de litio

Se están desarrollando plantas para producir los materiales necesarios para las celdas de litio, buscando una mayor autonomía en la producción. También se está formando a personas en la fabricación de celdas de ion-litio, en colaboración con la Escuela de Oficios de la UNLP. Además, se avanza en la construcción de edificios, la seguridad, la compra de equipos, el suministro de energía y el manejo de residuos.

Aunque el litio se encuentra principalmente en el norte de Argentina, la planta piloto está en el este, en la sede de Y-TEC. Esto se debe a que los conocimientos y la experiencia para fabricar baterías de iones de litio se concentran en el polo tecnológico de La Plata. Allí se encuentran institutos del Conicet y la UNLP. Además, estar cerca del puerto facilita la exportación de los productos. Aunque parezca una desventaja estar lejos de donde se extrae el litio, no lo es, ya que con un solo camión al año de carbonato de litio es suficiente para la planta.

El ministro Daniel Filmus del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación y el presidente Carlos Ramos de la empresa Yacimientos de Litio Bolivianos están colaborando para avanzar en la producción autónoma de celdas y baterías de iones de litio. Ambos creen que el desarrollo científico y tecnológico es clave para la independencia. Carlos Ramos añadió que producir materiales en ambos países (Argentina y Bolivia) evitaría importaciones y uniría a Sudamérica en tecnología.

Algunas actividades de este acuerdo entre Y-TEC e YLB incluyen la producción de dos materiales para cátodos: Baterías de litio-ferrofosfato (LiFePO₄) y Baterías de NMC (LiNi_xMn_yCo_zO₂). Estos materiales se harán con sales de litio producidas localmente. También se construirá una planta para fabricar celdas y baterías de iones de litio con una capacidad de al menos 10 MWh/año. Se mejorará el conocimiento para usar estas celdas y baterías en vehículos eléctricos y sistemas de energía autónomos.

La minería de litio en Argentina tiene varios proyectos en desarrollo. Se espera que la producción aumente a 262.000 toneladas anuales, lo que podría convertir a Argentina en el segundo mayor proveedor mundial de este mineral para 2025.

Actualmente, Argentina es el cuarto productor mundial de litio (LCE), después de Australia, Chile y China. Tiene dos proyectos en operación comercial: Salar de Olaroz en Jujuy (de la empresa australiana Allkem) y Fénix en Catamarca (de la estadounidense Livent).

Se proyecta que para finales de 2022, Argentina exportaría 60 mil toneladas de carbonato de litio. La producción podría crecer hasta 262.000 toneladas anuales para 2025, con la ampliación de los dos grandes proyectos actuales y la puesta en marcha de otros ocho en construcción.

Además, hay 35 proyectos en etapas iniciales de estudio. Si estos comienzan a construirse y producir, incluso parcialmente, tendrían un gran impacto económico en la producción, exportaciones y empleo.

El precio del litio se establece en contratos privados y depende de su pureza. Hace dos años, costaba unos 7.000 dólares, y actualmente ronda los 70.000 dólares, un aumento muy grande que también incluye el encarecimiento del transporte.

En Argentina, debido al tipo de recurso disponible, un proyecto de litio tarda entre 2 y 3 años en construirse después de la exploración y estudios. Una vez en producción, otros 3 años para alcanzar su máxima capacidad.

Se espera que el primer nuevo proyecto, Caucharí-Olaroz en Jujuy, comience a operar en diciembre de este año. Es un proyecto de las empresas Ganfeng Lithium (China) y Lithium Americas (Estados Unidos), con una inversión de 741 millones de dólares para producir 40.000 toneladas de LCE.

Para 2023 y 2024, se espera que las ampliaciones de los dos proyectos ya en funcionamiento comiencen a operar.

Argentina es el cuarto productor de litio gracias a la explotación en dos provincias importantes:

• El Salar de Olaroz, en Jujuy, con su segunda etapa en desarrollo, aumentará la inversión a 330 millones de dólares para incrementar la producción de 20.000 a 50.000 toneladas de LCE.
• La ampliación de Fénix, en Catamarca, pasará de 20.000 toneladas actuales a entre 40.000 y 60.000 toneladas anuales para 2025, con una inversión de 640 millones de dólares. A esto se suma la posibilidad de una planta de hidróxido de litio, que elevaría la inversión a más de 1.000 millones de dólares.

Todos estos proyectos buscan satisfacer la creciente demanda de litio, especialmente de Asia (China, Japón, Corea del Sur), que consume casi el 70% del litio mundial y más del 90% del litio usado para fabricar baterías.

En el primer semestre de 2022, el 33% del litio argentino se exportó a China, el 24% a Japón, el 14% a Corea y el 7% a Estados Unidos (datos de 2021).

En julio de 2022, las exportaciones de litio alcanzaron los 83,9 millones de dólares, superando el récord anterior de junio de 2022. Esto representó un crecimiento del 459% respecto al año anterior. Por primera vez desde febrero de 2008, las exportaciones de litio superaron a las de plata.

El litio representó el 29% de las exportaciones totales de minerales en julio. Este gran aumento se debe a la subida de precios, ya que las cantidades exportadas en julio cayeron un 6%.

En los primeros 7 meses de 2022, las ventas de litio al exterior sumaron 335 millones de dólares, un aumento del 203% respecto al año anterior, y representaron el 15% de las exportaciones mineras totales. Las cantidades exportadas de litio en este período cayeron un 6%. El resultado de las exportaciones de litio en julio de 2022 fue el más alto registrado, tanto mensual como acumulado, haciendo de 2022 el año con mayores exportaciones de litio.

Así, Argentina tiene un gran potencial para entrar de lleno en un mercado que se espera tenga una demanda enorme. El litio se está convirtiendo en un metal muy valioso, ya que se usa para fabricar baterías de ordenadores portátiles, teléfonos móviles, juguetes y, muy importante, autos eléctricos, hacia donde se dirige la producción automotriz.

El futuro de la producción de litio en Argentina

Se está estudiando la posibilidad de producir electrolito en Argentina. Actualmente, pocos países lo producen, lo que hace que importarlo sea caro. El electrolito es muy importante en las baterías de iones de litio. Permite que la energía se mueva del ánodo al cátodo, generando corriente. Por eso, es fundamental encontrar la forma de producirlo en Argentina.

Baterías modernas y su uso comercial

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 demostraron que los cátodos con polianiones (como sulfatos) producían voltajes más altos que los óxidos.

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

En 1996, Goodenough y sus colegas identificaron el fosfato de litio y hierro (LiFePO₄) y otros fosfatos con estructura de olivino como buenos materiales para los cátodos.

En 2002, Yet-Ming Chiang y su equipo del MIT mejoraron el rendimiento de las baterías de ion-litio. Lo hicieron aumentando la conductividad del material al añadirle aluminio, niobio y zirconio.

En 2004, Chiang volvió a mejorar el rendimiento usando partículas de fosfato de hierro de menos de 100 nanómetros de tamaño.

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

En 2015, la empresa Tesla Motors presentó dos sistemas de almacenamiento de energía con baterías de ion de litio, llamados Tesla Powerwall. Su objetivo es guardar la energía eléctrica de fuentes renovables, como la solar o la eólica.

Tipos principales de baterías de ion de litio

Los seis tipos principales de baterías de ion de litio se clasifican según el material de su cátodo:

• Baterías de níquel-cobalto:
  • NCM
  • NCA
• LFP
• LCO
• LMO
• LTO

Los tipos más usados en vehículos eléctricos son NMC, NCA y LFP.

Batería de ion de litio con óxido de manganeso (LMO)

Una batería de iones de litio con óxido de manganeso (LMO) usa dióxido de manganeso, MnO2, como material para su cátodo. Funcionan de la misma manera que otras baterías recargables, como las de Óxido de litio y cobalto (LiCoO2).

Los cátodos hechos con óxido de manganeso son abundantes, económicos, no tóxicos y ofrecen una mejor estabilidad al calor.

Desventajas de las baterías de ion de litio

A pesar de sus muchas ventajas, esta tecnología no es perfecta para almacenar energía. Algunas de sus características tienen ciertos inconvenientes:

• Costo de fabricación: Para fabricar celdas y baterías de iones de litio, solo hay dos materiales de litio disponibles: el Hidróxido de Litio, que es difícil de mantener y absorbe humedad, y el Carbonato de Litio, que es más fácil de manejar y estable al aire libre. Por eso, el Carbonato de Litio es el más rentable para la producción.

• Vida útil media: Su duración depende de la cantidad de carga que almacenen, no de cuánto se usen. Su vida útil es de unos 3 años o más si se guardan con un 40% de carga. Cualquier batería se daña si se guarda sin carga.
• Número limitado de cargas: Soportan entre 300 y 1000 ciclos de carga, menos que las baterías de níquel-cadmio y similar a las de níquel-hidruro metálico. Por eso, a veces se consideran como "consumibles".
• Son costosas: Su fabricación es más cara que las de níquel-cadmio y similar a las de níquel-hidruro metálico. Sin embargo, su precio está bajando rápidamente porque se usan mucho. Se encuentran en casi todos los teléfonos móviles y ordenadores portátiles, y su uso se extiende a muchas herramientas portátiles de baja potencia.
• Riesgo de sobrecalentamiento: Están hechas con materiales que pueden incendiarse, por lo que necesitan circuitos electrónicos que controlen su temperatura en todo momento para evitar incendios o explosiones.
• Menor rendimiento en frío: Funcionan peor que las baterías de níquel-cadmio o níquel-hidruro metálico a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un 25%.
• Voltaje variable: El voltaje de una celda puede variar mucho. Por ejemplo, una celda de litio tiene un voltaje nominal de 3,6V, pero puede llegar a 4,2V y bajar hasta 2,5V. Esto hace necesario usar un convertidor de voltaje para mantener una salida constante en algunos aparatos.

Cuidados para tu batería de ion de litio

Batería Canon LP-E6N para equipos fotográficos.

Estas baterías tienen muy poco "efecto memoria". Para que funcionen bien, es bueno hacer una calibración completa de vez en cuando. Para que duren más, sigue estos consejos:

• No es bueno dejar que la batería se descargue por completo con frecuencia. Al contrario, esto puede dañarla. Lo mejor es evitar que la carga baje de un 15%.
• Es recomendable guardarlas en un lugar fresco (alrededor de 15 °C) y evitar el calor. Son muy sensibles a la temperatura; dejarlas al sol o en lugares húmedos reduce su rendimiento.
• Si vas a guardar la batería por mucho tiempo, es mejor dejarla con una carga intermedia (alrededor del 40%). También evita mantenerlas con carga completa por períodos largos.
• La primera carga no es más importante que las siguientes. Es un mito que viene de las baterías antiguas de níquel.
• Debes cargarlas con un cargador diseñado para este tipo de baterías. Usar un cargador incorrecto puede dañar la batería e incluso causar un incendio.
• No siempre es necesario usar un cargador de la misma marca o modelo del dispositivo. Puedes usar cualquier cargador de buena calidad que cumpla con los requisitos eléctricos de tu aparato.
• La mayoría de los dispositivos modernos son "inteligentes". Pueden detectar cuando la batería está completamente cargada y desconectarse automáticamente, desviando la energía al resto del dispositivo.
• Existen bolsas especiales resistentes al fuego para guardar estas baterías, ya que son delicadas.

Ventajas de las baterías de ion de litio

Batería comercial de Li-ion.

Esta tecnología es la más usada en ordenadores portátiles, teléfonos móviles y otros aparatos electrónicos, así como en vehículos eléctricos. Los teléfonos móviles, las tabletas y los equipos portátiles usan estas baterías por sus muchas ventajas:

• Alta densidad de energía: Almacenan mucha más carga por su peso y tamaño.
• Poco peso: Para la misma cantidad de energía, son más ligeras y ocupan menos espacio que las de níquel-hidruro metálico, y mucho menos que las de níquel-cadmio y plomo.
• Gran capacidad de descarga: Algunas baterías de ion de litio, llamadas "Lipo" (Litio-ion Polímero), pueden descargarse casi por completo en menos de dos minutos.
• Alto voltaje por celda: Cada celda de batería proporciona 3,7 voltios, lo mismo que tres baterías de níquel-hidruro metálico o níquel-cadmio (que dan 1,2 V cada una).
• Mínimo efecto memoria: No "recuerdan" cargas incompletas, lo que ayuda a mantener su capacidad.
• Descarga lineal: El voltaje de la batería cambia de forma constante a medida que se descarga. Esto facilita saber con precisión cuánta carga le queda a la batería.
• Larga vida útil en baterías profesionales: Las baterías para vehículos eléctricos (tipo LiFePO₄) pueden durar más de 3000 ciclos de carga/descarga antes de perder el 20% de su capacidad.
• Fácil de saber la carga: Basta con medir el voltaje de la batería cuando no está en uso para saber cuánta energía tiene.
• Muy baja autodescarga: Cuando guardas una batería sin usarla, se descarga lentamente. En las baterías de ion de litio, esta "autodescarga" es muy baja, mucho menos que en otros tipos de baterías.

Combinaciones de litio en baterías

Existen muchas combinaciones de litio en el mercado, lo que da lugar a baterías con características diferentes:

• Baterías de ion de litio en polímero: La diferencia principal es que el electrolito de sal de litio no está en un líquido, sino en un compuesto polimérico sólido, como el óxido de polietileno. Las ventajas de estas baterías son menores costos de fabricación, se adaptan a muchas formas, son confiables y resistentes.
• Baterías de litio hierro fosfato (LiFePO₄): También conocidas como LFP. Son mucho más económicas de producir que las baterías tradicionales de ion de litio que usan LiCoO₂.
• Baterías de tipo olivino de litio hierro fosfato: Pueden durar unos 10 años si se cargan una vez al día. Además de su larga vida, se cargan muy rápido, alcanzando el 95% de su capacidad en solo dos horas. Sony Business Solutions comercializa una de estas (ESSP-2000).

Uso de baterías de ion de litio en la industria

Las baterías de ion de litio se usan cada vez más en sistemas de almacenamiento de energía. Se agrupan en módulos o "bancos de baterías" y son controladas por un Sistema de Gestión de Baterías (BMS). Este sistema asegura la eficiencia y duración de la batería al controlar la carga, descarga, temperatura y otros factores.

Carros eléctricos y baterías de ion de litio

Los carros eléctricos han cambiado la industria automotriz por ser eficientes, sostenibles y tener un buen rendimiento. Marcas como Tesla y BMW han sido pioneras con modelos que ofrecen gran autonomía, tecnología avanzada y una excelente experiencia de conducción. Estos vehículos usan baterías de ion de litio de alta capacidad, lo que les permite alcanzar buenas velocidades y reducir mucho las emisiones de carbono.

Carros de Golf y la evolución de sus baterías

En los carros de golf, el cambio a baterías de ion de litio también ha sido muy importante. Empresas como MG Power han creado soluciones avanzadas que dan más autonomía, menos tiempo de carga y un mejor rendimiento en el campo. Gracias a su diseño ligero y alta capacidad de energía, los carros de golf con baterías MG Power ofrecen una experiencia de conducción más suave, confiable y ecológica. Con esta tecnología, los jugadores y operadores de campos de golf tienen vehículos más duraderos y con menos mantenimiento.

Etapas de funcionamiento de las baterías industriales

Etapa de carga de baterías industriales

Cuando hay un exceso de energía en la red eléctrica, por ejemplo, por mucha producción solar o eólica, el BMS inicia la carga de las baterías. Así, la energía sobrante se guarda para usarla después.

Etapa de descarga de baterías industriales

Cuando la demanda de energía es alta, el BMS permite que las baterías se descarguen. De esta forma, liberan la energía almacenada para satisfacer las necesidades de la red eléctrica.

Ventajas en aplicaciones industriales

Las baterías de ion de litio son muy útiles en la industria porque se adaptan bien a los cambios en la demanda de energía. Sus beneficios más importantes son:

• Regulación de la Red Eléctrica: Los bancos de baterías de ion de litio ayudan a mantener el equilibrio de la red eléctrica. Absorben energía cuando hay poca demanda y la liberan cuando la demanda es alta.
• Almacenamiento de Energía Renovable: Estos sistemas son muy eficientes para guardar energía de fuentes renovables, como la solar o la eólica. Esto permite integrar mejor estas fuentes en la infraestructura eléctrica.
• Respuesta Rápida: La capacidad de las baterías de ion de litio para cargarse y descargarse rápidamente las hace ideales para ajustarse a los cambios en la demanda de energía. Esto puede generar ahorros importantes en los costos de energía.

Estándares de seguridad

El IEEE ha establecido estándares para las baterías:

• 1625 para baterías de ordenador portátil.
• 1725 para baterías de teléfono móvil.
• 1825 para 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
• Equilibrio de la batería

Extinción de fuegos en baterías de litio