Baterías de ion-litio. Funcionamiento y algunos detalles

in StemSocial2 months ago
Saludos estimados amigos de Hive, continuando con esta serie de artículos sobre las baterías recargables ha tocado el turno de las baterías de iones de litio. Y es que hoy en día la forma más común de comunicarnos, el teléfono celular, o de trabajar en cualquier lugar, la laptop, son posibles solo gracias a la existencia de este dispositivo electroquímico que les suministra energía; así que hablemos un poco sobre las características esenciales de este tipo de baterías.

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Batería de iones de litio de un celular. Fuente: @emiliomoron.

En el campo de las baterías recargables, una de las que más ha recibido atención es sin duda las baterías de iones de litio o ion-litio como se suele abreviar; y es que gracias a propiedades como ligereza, elevada capacidad energética y poco efecto memoria han permitido diseñar baterías compactas, de diversas formas y sobre todo, con un alto rendimiento, que se han adaptado muy bien a los requerimientos de la industria electrónica de gran consumo. Popularizándose su uso en equipos como celulares, tabletas y computadoras portátiles. Desde su aparición, este dispositivo ha recibido fuertes inversiones en investigación y desarrollo con el propósito de aumentar su duración, reducir su peso y disminuir su costo de fabricación entre otros aspectos, siendo los principales interesados las grandes figuras del mercado de los teléfonos móviles y vehículos eléctricos.

Así que, a pesar de contar con unos cuantos años en el mercado, las expectativas para este tipo de baterías aún son enormes, y se sigue apostando a su evolución para continuar entregándole energía a nuestros dispositivos móviles e incluso autos eléctricos, como el Tesla modelo S.

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Tesla modelo S cargando su batería. Fuente: Wikimedia Commons, CC-BY-SA-2.0.

Batería ion-litio

Como ya sabemos, una batería es un dispositivo capaz de producir y almacenar energía eléctrica mediante una serie de reacciones químicas denominadas de óxido-reducción; mediante las cuales se establece una transferencia de electrones entre especies químicas.

Las baterías de iones de litio son un tipo de batería recargable que emplea como electrolito una sal de litio que proporciona los iones necesarios para que tenga lugar la reacción química entre el cátodo y el ánodo[1]. Básicamente se aprovecha la capacidad de oxidación del litio para inducir un flujo de electrones desde el ánodo hacia el cátodo de la celda.

El litio es un metal con un bajo potencial de reducción, -3,05 V, lo que quiere decir que es uno de los elementos químicos que sede con gran facilidad electrones, quedando como un ion cargado positivamente (Li+), de ahí a que las baterías se denominen de iones de litio.

Una batería de ion-litio común puede entregar 3,6-3,7 V, su densidad de energía puede oscilar entre 250-730 W.h/Kg, con ciclos de carga que pueden ir desde 400 hasta 1200[1].

¿Cómo funcionan?

Como en una celda electroquímica, estas baterías están compuestas de un ánodo (donde ocurre la oxidación), un cátodo (donde ocurre la reducción) y un electrolito. El flujo de electrones se produce mediante la oxidación del litio presente en el ánodo, mientras que se produce la reducción del material del que está hecho. El cátodo generalmente está hecho de un compuesto llamado óxido de litio-cobalto (LiCoO2) aunque en baterías más nuevas es de fosfato de litio y hierro (LiFePO4). La reacción química general que ocurre se puede describir de la siguiente forma:

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El funcionamiento de este tipo de baterías se basa en un proceso denominado inserción- desinserción de iones Litio (Li+). De forma general el proceso se describe de la siguiente forma:

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El proceso ocurre en estado sólido entre dos compuestos de inserción que forman los electrodos, donde uno actúa como huésped (M) y el otro como anfitrión (A). Y M reacciona ocupando lugares vacantes en la estructura de A, que por lo general es un sólido cristalino[2].

Durante la descarga, en el ánodo se oxida el litio, y los iones de litio se mueven a través del electrolito hacia el cátodo, donde ocurre la reducción de la especie anfitrión y la inserción de la especie huésped. La reacción total será:

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Entonces, cuando usamos la batería, iones de litio en el ánodo fluyen hacían el cátodo a través del electrolito, los electrones separados del litio también fluyen, pero a través del circuito externo, lo que alimenta un dispositivo móvil o un vehículo.

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Esquema de funcionamiento de una batería de iones de litio. Fuente: @emiliomoron.

En las baterías de ion litio más habituales se tiene un cátodo de óxido de cobalto y un ánodo de un material similar al grafito, dispuesto de forma laminar con sitios que pueden albergar a los iones, los cuales viajaran de ida o vuelta según el ciclo de carga o descarga. Los electrodos dispuestos de forma laminar permiten que estas baterías sean más delgadas y livianas comparadas con las de Ni-Cd.

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Representación de la disposición de los electrodos en una batería de teléfono celular. Fuente: @emiliomoron.

Un poco de historia

El litio es un metal que tiene una gran tendencia a ceder su electrón más externo, y para producir electricidad precisamente necesitamos sustancias que tengan esta capacidad, por lo que la idea de utilizarlo para construir una batería ha sido considerada desde hace tiempo.

Pero esta aparente ventaja también fue una maldición. Ya que el litio cede con tanta facilidad su electrón que es capaz de cederlo incluso al aire, lo que lo convierte en un metal muy inestable que se oxida rápidamente, por lo que la llegada de una batería con litio demoro bastante tiempo.

Teniendo en mente que el ánodo perfecto para una batería tendría que ser de litio, quedaba entonces describir el cátodo perfecto para utilizarlo. La primera batería de litio fue desarrollada en los años 70, tenía un cátodo de sulfuro de titanio que era capaz de acomodar los iones que llegaban desde un ánodo de litio metálico; en esta batería se utilizó LiPF6 disuelto en carbonato de propileno como electrolito, el cual le confería protección al litio del agua y del aire, lo que le brindaba estabilidad, logrando así por primera vez 2,5 V con este tipo de batería[3]. La primera batería comercial de litio fue una evolución de esta, lo que marcó el inicio de la carrera por desarrollar mejores baterías de litio.

El problema de estas baterías es que al calentarse podían llegar a explotar, se encontró que con cada ciclo de carga y descarga se formaban dendritas de litio que penetraban la barrera del electrolito y llegaban hasta el cátodo, causando un cortocircuito.

En 1985 se resolvió el problema, Akira Yoshino encontró una solución al probar un ánodo diferente, utilizó un compuesto denominado óxido de litio cobalto (LiCoO2), que es más estable ya que tiene un potencial de reducción mucho más alto, haciendo innecesario utilizar litio metálico puro. Con ello se logró incrementar de forma espectacular la seguridad de las baterías y escalar su producción a nivel industrial[1].

En 1991 gracias a la colaboración de la empresa Sony con la corporación japonesa Asai Kasei salió al mercado la primera batería de ion-litio comercial, la cual utilizaba un ánodo de óxido de litio cobalto y un cátodo de coque; años antes Asai Kasei había demostrado que el coque de petróleo acomodaba de forma muy eficiente los iones de litio[3].

En la actualidad se fabrica baterías de litio aún más eficientes, gracias a que en 2004 un grupo del MIT sustituyeron el óxido de cobalto-litio por el de fosfato de hierro-litio (LiFePO4) haciéndolas más baratas de producir, ya que el cobalto es un metal muy costoso y escaso, y además aumento su rendimiento.

En 2015 la empresa Tesla motors presento sus dos celebres sistemas de almacenamiento de energía, las baterías Powerwall/Powerback para el almacenamiento de energía eléctrica proveniente de fuentes renovables, como la solar o eólica.

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Batería recargable Tesla Powerwall 2. Fuente: Wikipedia.com, CC0


En 2019 el desarrollo de las baterías de litio logró el Premio Novel de Química, repartido entre el británico M. Stanley Whittingham quien lideró la investigación de la intercalación de los iones de litio en disulfuros metálicos en los años 70, el alemán John Goodenough, quien propuso la solución del cátodo de óxido de cobalto-litio para evitar que la batería explotara, y el japonés Akira Yoshino, quien trabajando para la Corporación Asahi Kasei propuso la utilización del ánodo de coque.

Aplicaciones

Como ya hemos comentado, el sector de mayor demanda de baterías de ion-litio es el mercado de los teléfonos y computadores móviles, sin duda que el desarrollo de estos aparatos ha sido gracias a la evolución y eficiencia de este tipo de baterías, y gracias a que se pueden acomodar en diferentes geometrías. Para estas aplicaciones las podemos encontrar como las vistas en la siguiente imagen.

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Modelos de baterías para teléfonos celulares. Fuente: @emiliomoron.


Uno de los mercados más atractivos para este tipo de baterías son los sistemas de almacenamiento de energía, siendo un sector de fuerte crecimiento las baterías destinadas para los vehículos eléctricos. Para esta aplicación se agrupan múltiples celdas en varias unidades para suministrar la energía necesaria para que el vehículo funcione con suficiente autonomía. En la siguiente imagen podemos observar el arreglo de las baterías para un vehículo eléctrico.

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Corte en el chasis de un vehículo electrico Nissan para mostrar parte del arreglo de baterías. Fuente: Wikipedia.com, CC BY-SA 3.0.

Impacto ambiental

Las baterías de ion-litio igualmente representan un peligro para el ambiente. Sin considerar que hablamos de la utilización de un metal poco abundante, lo que ya supone un impacto ambiental por su extracción, su reciclaje tampoco es sencillo ni existen facilidades para su recuperación en todas partes.

El proceso para recuperar los materiales de los cuales está compuesta la batería es más costoso que hacer una nueva, al menos en el caso de las baterías de los vehículos podemos encontrar que algunos fabricantes han optado por su reutilización en lugar de desecharlas. Cuando el rendimiento de las mismas disminuye y ya no son eficientes para su fin principal, impulsar el vehículo, se destinan a otros usos, como sistemas de iluminación de emergencia, donde no es tan importante un ciclo de carga rápido[4].

Pero en el caso de las baterías de equipos electrónicos portátiles, como los celulares, más del 90% de ellas acaban en vertederos donde son propensas a generar explosiones cuando el litio entra en contacto con el agua o son expuestas a altas temperaturas. Los desechos de litio siguen aumentando por el alto costo de su recuperación, lo que representa un alto riesgo de que estos desechos puedan generar emisiones toxicas o contaminar el agua en el caso de una mala disposición.

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En el hogar estamos acumulando baterías de litio de las cuales debemos ser responsables. Fuente: @emiliomoron.

Conclusión y aporte

Las baterías de ion-litio son hoy una de las baterías de mayor demanda en el mercado de los aparatos electrónicos de gran consumo, como los teléfonos celulares, y son de las que tienen previsto un enorme incremento de la demanda para su aplicación en autos eléctricos, gracias a su rendimiento y eficiencia; lo que se ha logrado con la selección del ánodo adecuado para uno de los metales más fácilmente oxidables de la tabla periódica.

En estas baterías podemos observar como los procesos redox han permitido una eficiente forma de almacenar energía, las ecuaciones químicas descritas nos permiten socializar el funcionamiento de este tipo de batería, siendo un buen recurso para la explicación didáctica de los procesos electroquímicos que tienen lugar.

El post también es un llamado de atención, actualmente millones de baterías de ion-litio hacen funcionar nuestros teléfonos inteligentes, sin embargo son difíciles de reciclar, por lo que las autoridades competentes deben estar atentas a lo que ocurre con los desechos de litio y exigir prácticas de reciclaje que protejan al ambiente.


Bueno amigos, hasta aquí el presente post, espero que la información presentada les haya resultado interesante. Muchas gracias por pasar a leer, hasta el próximo.


Referencias

  1. Wikipedia.com. [Batería de ion litio](https://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_de_ion_de_litio]
  2. Hamel, J. (2011). Celdas, pilas y baterías de ion-litio, una alternativa para… Journal Boliviano de Ciencias, volumen 8, número 22, pag. 40-47.
  3. Cuaderno de cultura científica. Así funcionan las baterías de litio.
  4. Autocasión. Baterías de litio de los coches eléctricos: un problema de reciclaje y contaminación.

Las formulas, reacciones y estructuras químicas indicadas fueron elaboradas por el autor en Microsoft PowerPoint.

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Saludos estimado amigo @emiliomoron, excelente el contenido que nos compartes en esta ocasión relacionado al funcionamiento de las baterías recargables de ion-litio, una tecnología muy eficaz y utilizada por gran cantidad de personas en el mundo ya que al mencionar que se usan en teléfonos celulares y computadoras portátiles es sinónimo de expansión global.

Extraordinarias características que nos compartes de este tipo de dispositivo capaz de producir y almacenar energía como muy bien nos expresas, importante resaltar lo siguiente:

El problema de estas baterías es que al calentarse podían llegar a explotar, se encontró que con cada ciclo de carga y descarga se formaban dendritas de litio que penetraban la barrera del electrolito y llegaban hasta el cátodo, causando un cortocircuito.

Esto creo es cuando uno vé estas baterías como abombadas, o lo descrito anteriormente es otro tipo de explosión, lo cierto es que disfrute mucho con la lectura de tu contenido y aprendí nuevas cosas de este tipo de baterías.

Gracias amigo por seguir compartiendo tus extraordinarios conocimientos con todos nosotros, éxitos, nos seguimos leyendo.

Saludos amigo @rbalzan79. Muchas gracias por tu consideración. Al respecto, cuando vemos hinchadas las baterías es por un deficiente funcionamiento, lo que ocasiona que se acumulen los gases que se producen durante las reacciones químicas y que deben ser reabsorbidos, el caso descrito es cuando se produce un cortocircuito interno por el crecimiento de dendritas de litio. Me alegra que hayas disfrutado el contenido.