¿Qué es una batería de litio?
Básicamente, uno batería de litio (o más bien una batería de iones de litio, o Li-ion) está compuesta por una serie de componentes químicos encerrados en una carcasa, conectados al exterior a través de dos extremos metálicos, uno positivo y otro negativo.
Cuando estos dos extremos se ponen en contacto entre sí (a través de un material conductor), se desencadena una reacción que hace que las partículas internas de la batería se unan y se separen continuamente, para producir otros elementos químicos, denominados iones.
En particular, los iones son responsables de producir la energía para alimentar la batería, mientras que los electrones son responsables de generar la electricidad necesaria para operar el dispositivo al que está conectado (teléfono inteligente, tableta, computadora portátil, etc.).
Las baterías de litio, gracias a sus particulares características estructurales y químicas, son actualmente muy utilizadas tanto en el campo de la electrónica (smartphones, tablets, portátiles, sistemas de alimentación ininterrumpida, wearables, etc.) como en sectores muy diferentes, como el de los híbridos y coches eléctricos.
El objetivo de esta guía será explicarle, en términos sencillos, el criterio subyacente al funcionamiento de las baterías recargables de iones de litio y las razones de los problemas más comunes que se encuentran en ellas.
Una breve historia de las baterías de litio
La historia de las baterías de litio comienza hace mucho tiempo. 1912, cuando el primer acumulador de este tipo fue inventado por Gilbert N. Newis: se trataba de pilas no recargables, pero capaces de proporcionar voltajes mucho más altos que las otras baterías en uso en ese momento, gracias a la presencia de litio.
Esta invención, sin embargo, no se consideró particularmente útil hasta 1970, cuando el químico MS Whittingham logró desarrollar un prototipo de batería recargable explotando, de hecho, el litio.
Sin embargo, incluso esta invención no tuvo el éxito deseado: dado que el litio es un metal ligero pero extremadamente inestable, las baterías diseñadas en ese momento conllevaban un alto riesgo de explosión; Por tanto, cómplice de los peligros asociados a la manipulación del litio en este sector, y al colapso del precio del petróleo (elemento básico de todas las baterías recargables en uso en ese momento), se archivó el desarrollo de las baterías de litio recargables.
Esto fue hasta 1991, año en el que JB Goodenough hizo la primera batería de iones de litio para Sony, cambiando el material de construcción del cátodo y aumentando su potencia; el proyecto se perfeccionó aún más, en el mismo año, por Akira Yoshino, que logró eliminar completamente el litio en forma pura de las baterías recargables, reemplazándolo con iones de litio, es decir, con partículas capaces de "desprenderse" del átomo de litio después de una reacción química.
Este último paso fue de fundamental importancia para la seguridad de las que, hasta la fecha, son las baterías recargables más utilizadas en el mundo: a partir de ese año, gracias a los continuos estudios sobre la estructura química de los componentes de la batería y la Con la paulatina introducción de mecanismos de seguridad, los riesgos asociados a las baterías de iones de litio se han reducido extremadamente, ante un aumento de potencia, capacidad de almacenamiento de energía y duración en el tiempo.
Nota: Whittingham, Goodenough y Yoshino fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 2019, precisamente por el desarrollo de baterías de iones de litio.
Cómo funciona una batería de litio
Una batería de iones de litio está formada por una o más partes electrónicas capaces de generar energía, llamadas celle; cada celda se compone principalmente de tres elementos: un electrodo positivo, llamado cátodo; un electrodo negativo, llamado ánodo; y un químico, llamado electrólito.
Las baterías de este tipo son generalmente ricaricabili, por tanto capaz tanto de acumular energía (en la fase de carga) como de liberarla (en la fase de descarga): este mecanismo es posible gracias al flujo de iones y electrones, es decir, pequeñas partículas que se "desprenden" de los átomos, a los que viajan del ánodo al cátodo - y viceversa - a través del electrolito.
Permítanme explicarles mejor la dinámica de este mecanismo. Cuando la batería acumula energía y está, es decir, en fase de carga, la cátodo "Da" algunos de sus iones de litio, que viajan a través del material electrolítico, siguiendo el circuito interno, y se acumulan dentro delánodo, en el que fluyen continuamente, generando energía y cargándose negativamente. Cuando los iones de litio del cátodo dejan de circular a través del material electrolítico, el proceso se detiene y la batería se carga.
Cuando, por el contrario, la batería se agota y está en fase de descarga, tiene lugar el proceso inverso: los iones, siguiendo el circuito externo de cada celda en la dirección opuesta, circulan del ánodo al cátodo, suministrar energía a la batería (y al dispositivo conectado); cuando llegan a su destino, se combinan con los electrones presentes en el cátodo, depositándose allí. Cuando el ánodo no tiene más iones de litio para liberar, el proceso se detiene: la batería está completamente descargada.
Es precisamente la distancia recorrida por los iones de litio la que determina el tiempo necesario para cargar y descargar una batería: dado que la primera de las dos fases tiene lugar en un circuito interno y la otra en un "camino" externo, no hace falta decir que la carga de la batería es mucho más rápida que la descarga.
Sin embargo, como seguramente sabrá, la autonomía de una batería de iones de litio es extremadamente variable, ¡según el tipo de dispositivo que alimenta y las actividades que se realizan!
Cada celda también implementa algunos mecanismos de seguridad con el objetivo de reducir los problemas por sobrecalentamiento: si la celda y / o la batería alcanzan una temperatura demasiado alta durante la fase de carga, el flujo de energía entrante se interrumpe inmediatamente y, en consecuencia, ya no puede recibir carga.
Aunque las baterías de iones de litio están dominadas por el mismo principio de funcionamiento, no todas son iguales: de hecho, existen diferentes tipos y características, que varían principalmente debido a los materiales con los que están hechos el ánodo, cátodo y electrolito.
Por ejemplo, la mayoría de las baterías que se encuentran en teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles y bancos de energía son del tipo Óxido de litio-cobalto / LCO (o LiCoO2): está formado por un cátodo de óxido de cobalto y un ánodo de grafito; Las baterías de automóviles eléctricos, por otro lado, aprovechan la combinación química litio, níquel, manganeso e óxido de cobalto / LiNMC (LiNiMnCoO2): el cátodo, en este caso, está hecho de níquel, manganeso y cobalto; el cátodo presente en las baterías utilizadas para las fuentes de alimentación ininterrumpidas modernas, por otro lado, utiliza un cátodo enóxido de litio y manganeso, generalmente con adición de cobalto.
Pros y contras de las baterías de litio
La introducción de las baterías de iones de litio ha traído varios beneficios al mundo de la electrónica. Para empezar, a diferencia de las baterías de níquel-cadmio (o NiCd, pronunciado "nicad"), las baterías de iones de litio no sufren el efecto memoria: si nunca ha oído hablar de él, es un fenómeno que "hace que una batería crea" que tiene menos capacidad que su condición inicial.
El efecto memoria es extremadamente frecuente en las baterías de NiCd y se “activa” cuando, por algún motivo, la batería se recarga cuando aún queda energía residual en su interior; para que todo vuelva a la normalidad, debe descargar completamente la batería y recargarla inmediatamente después.
Otra gran ventaja de las baterías de iones de litio es que son relativamente leer en comparación con la cantidad de energía que pueden almacenar; nuevamente, para construir baterías de este tipo no se prevé el uso de cadmio, un material extremadamente tóxico y que todavía se utiliza hoy, aunque en mucha menor medida que en la última década, para la producción de baterías recargables.
No todo, sin embargo, "son rosas y flores": aunque, con el tiempo, se han ido implantando mecanismos de seguridad capaces de minimizar la posibilidad de sobrecalentamientos y consiguientes incendios, siempre hay que prestar atención a calor, ya que las baterías de litio sufren mucho este efecto: la batería debe mantenerse siempre a temperatura ambiente y las celdas no deben recargarse cuando el dispositivo ya está caliente, ya que pueden producirse caídas de rendimiento debido a la dificultad de "retener" energía.
Además, las baterías deben cargarse a voltaje apropiado: el uso de cargadores de batería demasiado "potentes" podría reducir significativamente la vida útil y la eficiencia de cada celda, además de causar peligro acumulaciones de gas (liberado naturalmente durante las fases de carga / descarga), lo que podría causar explosiones.
Otro aspecto al que hay que prestar atención, especialmente en lo que respecta a dispositivos electrónicos como smartphones, tablets y portátiles, es el nivel de carga mínimo. Deje que una batería de iones de litio lo alcance 0% de carga puede afectar negativamente su vida: si el tránsito de iones desde el cátodo al ánodo se interrumpe por completo, las partículas de litio podrían dañar irreparablemente este último, disminuyendo el rendimiento de la batería. Además, el dispositivo puede tener alguna dificultad o tardar más en encenderse de nuevo, ya que el tránsito de iones debe reiniciarse "desde cero".
Por esta razón, es una buena práctica Evite descargar completamente un dispositivo electrónico alimentado por una batería de iones de litio., antes de recargarlo; por la misma razón, si planea no utilizar un dispositivo electrónico durante mucho tiempo, tenga cuidado de almacenarlo con la batería cargada al menos al 50%: la pequeña e inevitable pérdida de carga por inactividad, de esta manera, apenas causa daño a las células.
Dadas sus características, hay que decir que una batería de iones de litio tiene una duración limitada: los fabricantes generalmente definen este parámetro en términos de ciclos de carga, después de lo cual es posible que las celdas de la batería no puedan acumular más energía de manera adecuada, debido al desgaste de los ánodos o al material químico presente en el interior. Sin embargo, no se preocupe: una batería bien administrada, lo ideal sería mantener constantemente un rango de carga del 30-80% de su dispositivo, puede permanecer "saludable" incluso durante más de cinco años (a pesar de una caída obvia en comparación con el capacidad original, pero no tan drástica como para comprometer su uso)!
Para obtener más información "práctica", lo invito a leer mis tutoriales sobre cómo cargar la batería del teléfono inteligente y cómo aumentar la duración de la batería de una computadora portátil.
Cómo funciona una batería de litio
