¿Qué es una batería de iones de litio?

Introducción

Uno de los mayores inventos del siglo XX es el de la batería de iones de litio. Ha sido de inestimable valor en la tierra la búsqueda de una fuente de energía renovable y la reducción del consumo de combustible a escala mundial.

Definición de batería de iones de litio

La batería de iones de litio (batería de iones de litio) es una forma de batería recargable, en la que se genera energía eléctrica a partir de las reacciones químicas que tienen lugar en su celda. En la celda, en el curso de la generación de energía, hay movimiento de iones desde los electrodos negativos hacia el lado positivo, sin embargo, cuando la batería se está cargando, hay un movimiento de electrodos en la dirección opuesta. En esta batería, existe la presencia de un compuesto de litio intercalado, utilizado como uno de los materiales de los electrodos. Por el contrario, existe la presencia de la batería de litio no recargable que hace uso de litio metálico.

Estas baterías han sido de amplio uso en dispositivos portátiles y coches eléctricos, en los últimos años. A diferencia de su uso limitado en la década de 1970, cuando se fabricó por primera vez hasta completar el anuncio propuesto por Stanly Whittingham. Estas baterías se han adaptado a los teléfonos móviles, muy utilizadas por una empresa como Nokia. En los últimos tiempos, se utiliza a escala global con empresas como Tesla y algunas otras empresas que intentan crear productos que funcionen con energía renovable.

Las baterías de iones de litio han podido lograr hazañas tan grandes, debido a sus altas densidades de energía, sin efectos de memoria, una reducción de los problemas de autodescarga, en comparación con otras baterías tradicionales. Sin embargo, estas baterías pueden resultar en riesgos para la salud ya que el electrolito que contienen es altamente inflamable. Cuando se daña o hay un paso en falso en la carga, podría provocar explosiones e incendios.

Aunque hubo varias fallas en los primeros días, mientras se intentaba perfeccionar el prototipo de la batería de iones de litio, la batería llegó para quedarse y jugaría un papel más importante para lograr que la tierra permanezca verde.

Análisis de los tipos de baterías de litio

Hay varios tipos de baterías de iones de litio, y esto es el resultado de la diferencia en la composición química del compuesto de litio en una batería específica. Varios compuestos de litio dan como resultado la variedad de baterías que existen, y se enumeran;

• Batería de óxido de litio y cobalto (LiCoO 2): el Li-cobalto se usa ampliamente en la producción de teléfonos móviles, cámaras digitales y computadoras portátiles, como resultado de su alta energía específica. En la batería, el óxido de cobalto es el cátodo, mientras que el carbono de grafito es el ánodo. El cátodo tiene una estructura en capas característica. Siempre que hay una descarga de energía, se produce el movimiento de los iones de litio del ánodo al cátodo. Cuando se carga el teléfono, este movimiento se invierte. Sin embargo, el uso de esta batería tiene una desventaja, ya que tiene una vida útil corta, una estabilidad térmica baja y capacidades de carga muy limitadas.

En el uso de la batería de iones de litio, cabe señalar que la batería no debe estar sujeta a una carga o descarga superior a su clasificación C. Cuando se le fuerza a una carga o se le aplica una carga superior a 2400 mA, se produce un sobrecalentamiento y una tensión indebida.

En los últimos tiempos, el uso de baterías de Li-cobalto está disminuyendo y esto se debe a la presencia de mejores combinaciones alternativas que brindan más potencia y son más estables al tiempo que garantizan una vida útil más larga.

• Batería de óxido de litio y magnesio (LiMn2O4): Los materiales sobre la producción de esta variedad de batería de litio se publicaron por primera vez en 1983, sin embargo, se comercializó en 1996. La celda de iones de litio tiene óxido de litio y manganeso como material del cátodo. En esta batería, hay una mejora en el flujo de iones en el electrodo, que es el resultado de la estructura de espinela tridimensional. Esto también da como resultado una menor resistencia interna y una mejora en el manejo de la corriente. Esta arquitectura de batería ofrece su alta estabilidad y seguridad mejorada, con el único inconveniente de que el ciclo de vida es limitado.

Cuando se dice que una batería experimenta una resistencia de celda interna baja, esto significa que puede cargarse más rápido y descargar una corriente alta. Cuando se empaqueta en un contenedor 18650, la batería de litio puede descargar entre 20 y 30 A de corriente, junto con una acumulación de calor mínima.

• Batería de óxido de cobalto-litio, manganeso y níquel (LiNiMnCoO2 o NMC): esta batería es una de las más exitosas de las baterías de Li, ya que el sistema ha sido diseñado para servir como celdas de energía o celdas de potencia. El principal secreto del éxito de esta batería es su combinación de níquel y manganeso. El níquel tiene una alta energía específica característica, sin embargo, tiene una estabilidad muy baja. Si bien el manganeso puede formar una estructura de espinela que dará como resultado una baja resistencia interna, sin embargo, tiene poca energía. Cuando se combinan, las debilidades se anulan y las fortalezas se combinan para dar como resultado una batería potente.

• Batería de fosfato de iones de litio (LiFePO4): la Universidad de Texas descubrió el uso de fosfato como material catódico. El rendimiento de la batería de fosfato de litio es notable, a la vez que ofrece una resistencia muy baja. Esto es posible debido a la nanoescala de su material de cátodo de fosfato. El uso de esta batería ofrece grandes beneficios, de los cuales son; buena estabilidad térmica, seguridad mejorada y tolerancia al abuso. Si se mantiene a alto voltaje durante mucho tiempo, esta batería es muy resistente al estrés que otros sistemas de iones de litio.

• Batería de óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (LiNiCoAlO2): esta batería también ofrece una alta energía específica y una cantidad razonable de energía durante un período prolongado. Sin embargo, la seguridad de su uso y el costo no son uno de sus grandes puntos fuertes.

• batería de titanato de litio (Li4Ti5O12): estas baterías se han utilizado desde la década de 1980, y en este caso, el ánodo es de titanato de litio, reemplazando el ánodo de grafito de otros sistemas. Tiene un recuento de ciclos que es razonablemente más extenso que las baterías de iones de litio normales. Es una batería segura de usar ya que tiene una descarga de calor muy baja.

Ventajas y desventajas de la batería de iones de litio.

El uso de baterías de iones de litio puede realmente ahorrarnos mucho y ayudar al mundo en el consumo de combustible que agota la capa de ozono y provoca el calentamiento global. Con esta forma de energía renovable, habría menos presión sobre la tierra y sus componentes. Li-ion tiene los siguientes pros y contras.

Pros

-Tienen una alta densidad energética: Potencial para permitir mayores capacidades.

-No necesitan someterse a mucho cebado cuando son nuevos, todo lo que requiere es cargarlos una vez, con regularidad.

-Tienen una autodescarga relativamente baja, ya que su autodescarga es menos de la mitad de las baterías a base de níquel.

-Requiere poco mantenimiento, ya que no es necesario cargarlo periódicamente.

-Las celdas especializadas pueden proporcionar corrientes muy altas cuando sea necesario.

Contras

-Las baterías de iones de litio requieren un circuito de protección para mantener el voltaje y la corriente para que no pase los límites seguros.

-Están sujetos al envejecimiento, e incluso cuando no se utilizan. Sin embargo, el almacenamiento de la batería en un lugar fresco al 40% de carga tiende a provocar una reducción del efecto de envejecimiento.

-Existen varias restricciones en su transporte, ya que el envío de grandes porciones requeriría estándares regulatorios y control de calidad.

-Son muy caras de fabricar

-Aún están por llegar a la etapa final de desarrollo.

En el mundo donde anhelamos más autos eléctricos, aviones y que otras máquinas que consumen combustible se conviertan en eléctricas, la necesidad de baterías de iones de litio va en aumento. Con el desarrollo y la innovación, el futuro es igual de brillante para el uso de baterías de iones de litio.

Aplicaciones de las baterías de iones de litio.

Desde su fabricación, el uso de baterías de iones de litio en diversos aparatos está muy extendido. Tienen una larga lista de aplicaciones de la vida real, que va más allá de su uso en teléfonos, vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos portátiles. Se utilizan en diversos aparatos médicos, así como en yates. Con el uso de baterías de iones de litio, es posible disfrutar de la comodidad de usar una batería moderna, así como de su confiabilidad.

Hay varios dispositivos que hacen uso de la batería de iones de litio en su alimentación, e incluyen;

• Sistema de alimentación ininterrumpida (UPS): con una batería de iones de litio que se utiliza en el UPS, uno puede estar seguro de la protección contra la pérdida de energía o la inestabilidad tradicionales. Esta batería es un poco diferente a tener un generador de reserva o de respaldo. Esto se debe a que es capaz de proporcionar energía instantánea para hacer funcionar el equipo que está conectado a él. Este UPS se puede utilizar para varios dispositivos, que incluye; computadoras, tecnología de la comunicación y tecnología médica.

• Automóviles eléctricos: no hay necesidad de preocuparse por tener una batería de iones de litio instalada en el automóvil. Esta batería es confiable, estable y puede durar mucho tiempo en la producción de energía. En el caso de que un usuario explore ubicaciones remotas, esta es la mejor opción para mantenerse seguro y cómodo. Estas baterías tienen una vida útil de más de diez años y, cuando se viaja, funcionan perfectamente durante largas horas de uso. También se optimizaron para perder poca energía entre usos. Las baterías de litio livianas proporcionan energía al vehículo eléctrico, con mayor eficiencia, lo que se logra mediante una reducción de peso y tamaño, a diferencia de las baterías de plomo-ácido.

• Gran rendimiento marino: las baterías de iones de litio son ideales para cualquier tipo de motor marino, independientemente del tamaño, una vez que utiliza una batería. Cuando se actualiza un barco para utilizar una batería de iones de litio, el usuario puede disfrutar de años de motores fiables. Independientemente del motor de agua que se alimente, esta batería está lista para funcionar durante mucho tiempo. Son simplemente capaces y confiables.

• Teléfonos móviles: para alimentar teléfonos móviles, las baterías de iones de litio han demostrado ser suficientes. Son recargables como resultado de los procesos que se llevan a cabo en las baterías. Al igual que cualquier otra batería, la batería de iones de litio consta de tres partes, que incluyen el ánodo, el cátodo y el electrolito. Al fabricar las baterías del teléfono, se prefieren los electrodos que están hechos de compuesto de litio intercalado a los electrodos de litio metálicos. Luego se colocan en un recipiente hermético que evita que el agua salga de la batería. Estas baterías tienen una densidad muy alta.

• Almacenamiento de energía solar: el uso de la energía solar en el mundo va en aumento, y muchas empresas la utilizan. Los países están invirtiendo fuertemente en la energía sostenible proporcionada por la energía solar. Sin embargo, hay ocasiones en las que la energía solar puede fallar, las baterías de iones de litio son muy útiles. Estas baterías son los mejores reemplazos para los paneles solares, y esto se basa en el método de carga, así como en la velocidad. Estas baterías se cargan rápidamente para que se puedan maximizar.

Los mejores métodos para cargar y descargar baterías de iones de litio

Debe tener en cuenta que las baterías de iones de litio no son realmente buenas para estar en condiciones extremas. Ésta es la base de todas las medidas de precaución que se deben tomar al utilizar una batería de iones de litio. Todas las baterías de iones de litio se cargan con la ayuda de un cargador, y las diferencias en la funcionalidad de estos cargadores son la premisa en la que se basan los distintos métodos de carga. Éstos son la base de su carga y descarga.

• Voltaje constante: este es el método de carga en el que se utiliza un cargador de voltaje de CC constante. Es una fuente de alimentación de CC básica que consta de un transformador en su forma más simple de la red y un rectificador, que genera la tensión de CC que suministra energía a la batería. Este diseño de carga se encuentra en cargadores de baterías de automóviles baratos. Este método de carga es similar al que se usa para las baterías de plomo-ácido.

• Corriente constante: en un intento por mantener un flujo constante de corriente, existe la variación del voltaje que se aplica a la batería. Se apaga cuando la batería está completamente cargada.

• Corriente cónica: este es el proceso de cargar la batería desde una fuente de voltaje básica no regulada. Esta forma de carga no está controlada, lo que podría provocar daños en las celdas por sobrecalentamiento.

• Carga pulsada: esta es la situación en la que la batería está sujeta a pulsos de corrientes de carga. Sin embargo, la velocidad a la que se realiza esta carga se puede controlar mediante la variación de los anchos de pulso

• Carga de eructos: este método se utiliza junto con la carga por pulsos y también se conoce como carga por pulsos negativos. Esta forma de carga no ha llegado a una etapa final probada y confiable en su producción, pero es seguro que no estropea la batería.

• Carga IUI: este es un nuevo método de carga y fue diseñado para cargar rápidamente baterías estándar de plomo-ácido inundadas de un fabricante en particular. Esta forma de carga no debe usarse para baterías de plomo-ácido.

• Carga lenta: esta forma de carga está diseñada específicamente para compensar la autodescarga de la batería. Proporciona carga continua que puede permitirle a la batería una carga de corriente constante a largo plazo para uso en espera. Esto sería suficiente y evitaría la descarga completa de la batería cuando no esté en uso.

• Cargador flotante: esta es una forma de carga en la que la batería y la carga están conectadas en paralelo a través de la fuente de carga de CC y se mantienen a un voltaje constante por debajo del límite de voltaje superior de la batería. Esta forma de carga se utiliza principalmente para sistemas de respaldo de emergencia.

• Carga aleatoria: las técnicas de carga anteriores son tales que la batería mantendría un proceso controlado hasta que esté completamente cargada. Sin embargo, este proceso de carga involucra aplicaciones automotrices donde la energía depende de la velocidad del motor, que varía constantemente.

Durante la descarga, tal como se esperaba, el voltaje de la batería se reduce gradualmente. El perfil de voltaje de descarga frente al tiempo depende de una serie de elementos que incluyen la corriente de descarga, la temperatura de la batería, la antigüedad de la batería y el tipo de material que se utilizó en la producción del ánodo.