Guía de baterías de iones de litio: química, usos, alternativas y preguntas frecuentes

Las baterías de iones de litio se utilizan ahora en todos los dispositivos. De teléfonos móviles a vehículos eléctricos, numerosos tipos de dispositivos funcionan con esta excelente tecnología de batería. En este artículo, discutiremos baterías de iones de litio. Veremos la historia y evolución detrás de esta tecnología, la química de las baterías, la vida útil de estas baterías, sus ventajas, desventajas y aplicaciones.

Historia de la batería de iones de litio (la línea de tiempo completa)

La batería de iones de litio es una de las baterías más populares en la actualidad. Esta amplia aceptación se debe a las numerosas ventajas y características que exhiben durante varias aplicaciones. Es bastante obvio que este éxito es el resultado de una serie de descubrimientos, modificaciones y otros esfuerzos. Aunque el viaje hasta las últimas baterías de iones de litio tiene numerosas etapas que discutir, solo veremos las hitos importantes aquí.

• 1817: Arfwedson y Berzelius descubrieron litio del mineral de petalita (LiAlSi4O10). El elemento fue aislado con éxito por primera vez del mineral por Brande y Davy en 1821.
• 1970: El químico británico M. Stanley Whittingham propuso la primera batería de litio. También ideó el método para almacenar iones de litio dentro de las capas de un material de disulfuro. Se utilizaron como electrodos sulfuro de titanio y litio metálico. Pero el modelo tenía varias limitaciones.
• 1973: Adam Heller propuso la batería de cloruro de tionilo de litio que todavía se utiliza en dispositivos médicos implantados y sistemas de defensa. Tenía una mayor vida útil, alta densidad de energía y tolerancia a temperaturas de funcionamiento extremas.
• 1979: Ned A. Godshall, John B. Goodenough y Koichi Mizushima demostraron una pila de litio recargable con voltaje en el 4V rango usando dióxido de cobalto de litio como electrodo positivo y metal de litio como electrodo negativo.
• 1980: Invención de electrodo de grafito de litio por Rachid Yazami, que es el electrodo más utilizado en las baterías comerciales de iones de litio desde 2011.
• 1985: Akira Yoshino mejoró la seguridad al ensamblar una celda prototipo utilizando material carbonoso donde se utilizaron como electrodos los iones de litio y el óxido de cobalto de litio.
• 1990: Jeff Dahn y dos colegas informaron sobre la intercalación reversible de iones de litio en grafito en presencia de solvente de carbonato de etileno. Este hallazgo condujo a la batería de iones de litio moderna.
• 1991: Sony y Asahi Kasei lanzaron el primer batería comercial de iones de litio.
• 2010: La capacidad de producción mundial de baterías de iones de litio alcanzó los 20 gigavatios-hora. Para 2016, era de 28 GWh, con 16,4 GWh en China. Producción en 2023 varias fuentes estiman que está entre 400 y 1.100 GWh.
• 2011: Baterías de iones de litio contabilizadas 66% de todas las baterías secundarias portátiles ventas en Japón.

Debe leer: Términos y características importantes de la batería explicados (con ejemplos)

Química de la batería

Echemos un vistazo a la química de las baterías de iones de litio.

Componentes de la batería

Las propias baterías de iones de litio utilizan diferentes combinaciones de electrodos. La combinación más común entre ellos es el óxido de cobalto y litio como cátodo y el grafito dopado con litio como ánodo. un compuesto orgánico llamado El éter se usa típicamente como electrolito. El electrolito consiste en una gran cantidad de sales de litio.

Estructura de la batería

La estructura básica de una batería de iones de litio se muestra en la siguiente figura.

La batería consta de dos medias celdas con un separador colocado en el medio. La mitad de la celda es el cátodo y la otra es el ánodo. Ambas medias celdas están llenas de electrolito.

¿Cómo funciona una batería?

Una batería funciona involucrando dos procesos: carga y descarga.

El proceso de descarga:

El proceso comienza con el ánodo. Una vez que el ánodo entra en contacto con el electrolito, la sal de litio en el electrolito se descompone en carbono, iones de litio y electrón. Este ion de litio intenta moverse hacia el cátodo junto con los electrones.

Nota: El ion de litio viaja a través del electrolito y el separador, mientras que los electrones llegan al otro lado solo a través de un medio externo.

Así, cuando la batería está conectada a un circuito electrónico, los electrones se mueven a través del circuito. Tan pronto como el electrón comience a moverse, los iones de litio también se moverán hacia el otro lado. Ambas partículas se combinarán con el cátodo para formar óxido de litio-cobalto.

El proceso de carga:

El óxido de litio-cobalto es un componente muy importante en la batería de iones de litio, ya que puede volver fácilmente al cobalto, los iones de litio y los electrones mientras se carga la batería. A medida que conectamos la batería a un cargador, ocurre el proceso inverso.

Saca el electrón del cátodo y lo empuja hacia el ánodo.Luego se combina y regresa al grafito dopado con litio. Cuando el ánodo recupera todos los iones y electrones liberados durante la fase de descarga, la batería alcanza su carga completa. Leer más.

¿Cuál es la densidad de energía de una batería de iones de litio?

La energía contenida en la batería en relación con su peso se conoce como la densidad de energía de una batería. Suele representarse en Vatios-hora por kilogramo (Wh/kg). La representación volumétrica de la densidad de energía se da en vatios-hora por litro (Wh/L). La batería con una mayor densidad de energía tiene un mayor tiempo de funcionamiento de la batería y viceversa. Por lo tanto, la densidad de energía es un parámetro crucial para cada batería.

La densidad de energía de las baterías de iones de litio está en el rango de 90-160 Wh/kg. La densidad de energía volumétrica promedio de las baterías de iones de litio según el estadísticas de 2008 fue de 55 vatios-hora por litro. Esto ha aumentado aún más a 450 vatios-hora por litro para el año 2020. El progreso desde el año 2008 hasta el 2020 se muestra en el siguiente gráfico.

Una de las aplicaciones destacadas de las baterías de iones de litio es en vehículos eléctricos (EV). El alta densidad de energía volumétrica de baterías de iones de litio lo convirtió en el elección perfecta para vehículos eléctricos. Las ventajas de la alta densidad de energía incluyen correr distancias más largas con paquetes de baterías más pequeños y menos espacio, costo y peso de la batería.

¿Cuál es la capacidad de una batería de iones de litio?

La capacidad de la batería determina la energía máxima entregada por una batería bajo condiciones específicas. También es la carga almacenada por la batería que es la masa de material activo de la batería. Se representa en Amperio hora (Ah). La capacidad máxima de una batería de iones de litio se registra como aproximadamente 3,8 Ah.

¿Cuál es la vida útil de una batería de iones de litio?

La vida de una batería es un factor importante que determina su utilidad en diferentes aplicaciones. Especialmente, el número de ciclos de carga de las baterías recargables es un factor muy importante. La vida útil de una batería es el período durante el cual la batería entrega energía hasta que se agota. Un ciclo de carga determina el período a partir del cual la batería está completamente cargada, descargada y completamente recargada de nuevo.

La batería de iones de litio tiene una vida extraordinaria de 2 a 3 años. El número de ciclos de carga también está en el buen número, que se encuentra entre aproximadamente 300 a 500 ciclos. Esto también depende de la frecuencia con la que usamos las pilas, el cuidado con el que las usamos y la temperatura.

El gráfico muestra cómo varía el ciclo de vida de una batería de iones de litio en función de la temperatura.

**Imagen de cortesía: Puerta de la investigación

¿Cuánto dura una batería de iones de litio con una sola carga?

Una vez cargada la batería, se puede utilizado hasta por 8 horas. solo se necesita 1 hora para cargarse completamente. Esta batería no requiere un período de enfriamiento, lo que se suma a sus beneficios. Los niveles más altos de densidad de potencia y una tasa más lenta de pérdida de capacidad ayudan a que estas baterías funcionen durante este período prolongado.

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¿Cuáles son las ventajas de una batería de iones de litio?

Casi todos los dispositivos ahora usan baterías de iones de litio. Este inmenso aumento en las aplicaciones de las baterías de iones de litio muestra cuán convenientes y efectivas son. Veamos las ventajas más destacadas de las baterías de iones de litio.

• Máxima densidad de energía: 90-160 Wh/kg.
• Proporciona un voltaje nominal más alto: hasta 3,6 V
• Larga vida – 2 a 3 años
• Un gran número de ciclos de recarga: de 300 a 500 n.
• Capaz de soportar una amplia gama de temperaturas
• Económico, ya que el litio está presente en el mineral natural.
• No tóxico. Por lo tanto, son fáciles de desechar.
• No tiene efecto memoria: la batería no recuerda la capacidad más baja durante los ciclos repetidos de carga/descarga parcial.
• Las baterías de iones de litio son comparativamente de menor peso. Esto los hace apropiados para alimentar sistemas eléctricos en aplicaciones aeroespaciales.
• Causa de la revolución de los coches a batería. Así reconocida como energía limpia.

¿Cuáles son las desventajas de las baterías de iones de litio?

Como cualquier otra tecnología, las baterías de iones de litio también enfrentan algunas desventajas y limitaciones.

• Estas baterías tienden sobrecalentarse. Por lo tanto, las alarmas de fuga térmica y de incendio pueden ocurrir a altos voltajes.
• Los mecanismos utilizados en las baterías de Li-ion para limitar el voltaje y la presión interna provocan una considerable aumento en el peso de la batería y aveces reducir el rendimiento de la batería.
• más costoso que las baterías de Ni-Cd.
• Actualmente, los vehículos eléctricos tienen una gran demanda. El cobalto es un elemento importante en las baterías de iones de litio utilizadas en estos vehículos eléctricos. El uso extensivo de cobalto puede causar una grave escasez en su suministro.

¿Cuáles son las aplicaciones de las baterías de iones de litio?

Como ya hemos comentado en los apartados anteriores, las aplicaciones de las baterías de iones de litio han llegado a ser incontables. Existen en el mercado algunos productos con gran demanda debido a las ventajas que ofrecen estas baterías. Estas son algunas de las aplicaciones populares de las baterías de iones de litio.

• Bienes de consumo electrónicos comunes como teléfonos móviles, computadoras portátiles, etc.
• Vehículos eléctricos
• aplicaciones militares
• Para alimentar dispositivos electrónicos en el sector aeroespacial.
• Dispositivos médicos portátiles que prefieren una vida más larga.
• Almacenamiento de energía solar
• UPS y otros respaldos de energía
• Sistemas de vigilancia y alarma
• Dispositivos pequeños como relojes que usan pilas de monedas.

Algunas preguntas frecuentes comunes

¿Es bueno permitir que las baterías de iones de litio se descarguen por debajo del 95%?

No. La descarga de baterías de iones de litio por debajo del 95% mata la batería prematuramente. Cuando se descarga por completo, todo el óxido de cobalto en el extremo catódico se ha convertido en óxido de litio y cobalto. Si seguimos descargando, no se puede formar más óxido de cobalto de litio con electrones e iones.

En su lugar, se formarán óxido de litio y óxido de cobalto. Estos son extremadamente dañinos para la salud de la batería.

Likewise, every time we discharge beyond 95%, we lose 5% of the battery's remaining charge carrying capacity.

¿Qué sucede cuando las baterías de iones de litio se sobrecargan?

La sobrecarga es el proceso de continuar cargando incluso cuando la batería está completamente cargada. Cuando la batería de iones de litio se sobrecarga, el electrolito se oxida. Esto genera muchos gases como el dióxido de carbono, el monóxido de carbono y el metano. El dióxido de carbono en el cátodo aumenta la temperatura de la batería.

Luego, el ánodo y el electrolito comienzan a reaccionar gradualmente entre sí, lo que provoca un fuerte aumento de la temperatura en muy poco tiempo. Esto finalmente conduce a una explosión que daña la batería y también los dispositivos conectados a la corriente.

¿Son seguras las baterías de iones de litio?

Si se usan correctamente, las baterías de iones de litio son las más útiles y seguras. Los problemas de seguridad surgen debido a prácticas descuidadas como la sobrecarga. Aún así, existen métodos de seguridad disponibles con estas baterías para evitar que se sobrecalienten.

¿Qué es el efecto memoria? ¿La batería de iones de litio es propensa a este efecto?

Algunas baterías pueden recordar la capacidad más pequeña entregada por ellas. También se conoce como efecto de inercia de la batería o efecto de batería perezosa. Si las baterías no se descargan por completo antes de cargarlas, la posibilidad de aceptar más cargas puede disminuir. Entonces, la próxima vez que comience a descargar esta batería, no se descargará por completo, lo que significa que la capacidad se reduce. La batería se mueve a su última capacidad más baja. Las baterías de NiMH y NiCd son muy propensas a este efecto. Dado que las baterías de iones de litio se pueden cargar en cualquier momento, el efecto memoria no las afecta.

¿Cómo se deben desechar las baterías de iones de litio?

Desde Las baterías de iones de litio tienden a incendiarse cuando se sobrecalientan., no deben desecharse directamente en la basura doméstica o en los contenedores de reciclaje. Pueden incendiarse durante el proceso de reciclaje o incluso durante el transporte. Por eso estas baterías deben llevarse a secciones de reciclaje separadas en los puntos de recogida de residuos peligrosos.

¿Cuántas veces podemos recargar las baterías de iones de litio?

Las baterías de iones de litio admiten de 300 a 500 ciclos de recarga. Así podremos recargar y reutilizar estas baterías hasta 500 veces. Este es un número promedio. A veces puede soportar incluso más de 500 recargas.

¿Cómo podemos identificar los productos con baterías de iones de litio?

El uso de baterías de iones de litio generalmente se especifica en el caja de la batería, marcas del producto o manuales de instrucciones. La química de la batería también se puede mencionar con símbolos como flechas con las palabras «Li-ion» debajo.

¿Es importante reciclar las baterías de iones de litio? ¿Por qué?

Los metales como litio y cobalto en las baterías de iones de litio se consideran minerales críticos que requieren mucho tiempo y mano de obra para su extracción. Su fuente natural también es limitada. El reciclaje adecuado también ayuda a ahorrar recursos, tiempo y mano de obra. Cuando se tiran descuidadamente, es peligroso. Por lo tanto, reciclar las baterías de iones de litio es la mejor práctica.

¿En qué rango de temperatura debe operar las baterías de iones de litio?

El posible rango de temperatura a operar baterías de iones de litio es desde 10°C a +55°C. El cargando debe tener lugar en el rango de temperatura de +5°C a +45°C.