La tecnología está en constante evolución y las baterías de iones de litio han reemplazado a las tradicionales baterías de níquel-cadmio e hidruro metálico de níquel.
Funcionamiento de las baterías Li-Ion.
Con aproximadamente el mismo peso de una celda, tienen una capacidad más alta que las baterías mencionadas anteriormente (superando las baterías de NiCd en 4-5 veces y las de NiMH en 3-4 veces) y dan un voltaje más alto en una celda. Por ejemplo, el voltaje de celda de los formatos de consumo más comunes para baterías de iones de litio es de 3.6 V, que es tres veces mayor que el de los elementos NiCd y NiMH. Por lo tanto, donde anteriormente se requerían dos o tres baterías, ahora solo se puede usar una. En cuanto al número de ciclos de trabajo se refiere, según este parámetro, las celdas de litio se ubican entre los acumuladores de NiCd y NiMH .
Las baterías de iones de litio utilizan litio metálico en el ánodo, es un metal reactivo, el más ligero, con el mayor potencial electroquímico, que proporciona la mayor densidad de energía. Como resultado, la capacidad específica teórica de las baterías de litio se maximiza y las fuentes de alimentación de litio tienen un alto voltaje de descarga. Sin embargo, la actividad química del litio complica enormemente los procesos de fabricación e impone severos requisitos a la estanqueidad de la fuente de energía, lo que finalmente afecta el costo de las baterías.
Al principio, no fue posible obtener baterías de iones de litio para uso domestico comercial, porque los fabricantes no podían proporcionar un nivel adecuado de seguridad al manipularlas. Si la temperatura en el interior de la batería alcanza el punto de fusión del litio, puede producirse una explosión como resultado de la interacción química del litio con el electrolito. Se sabe que una gran cantidad de baterías de litio enviadas a Japón a principios de la década de 1990 fueron devueltas a los fabricantes después de que varias personas resultasen quemadas por explosiones de baterías en teléfonos móviles. Y el último escándalo sobre las explosiones de baterías de iones de litio en teléfonos móviles Nokia fue en 2003, cuando más de 20 personas resultaron quemadas.
Desarrollo de las baterías Li-Ion.
En un esfuerzo por crear una fuente de corriente segura a base de litio, los fabricantes han reemplazado el metal litio, que es inestable cuando la temperatura aumenta durante la carga y descarga, con compuestos de litio con otros metales en forma de óxidos. Inicialmente, para crear baterías de iones de litio, el óxido de litio / cobalto ( Li / CoO2). Pero este material es bastante caro, propenso a la descomposición, que se acelera bruscamente y se vuelve irreversible si el voltaje de la batería excede el nominal o cae por debajo (por ejemplo, para baterías de 3.6 V, los límites permitidos son de 2.7 a 4.2 V). Por lo tanto, el uso de baterías basadas en él es imposible sin un controlador especial incluido en cada batería que limite el voltaje de carga y descarga en la batería. Dicho controlador también proporciona seguridad al detener el funcionamiento de la batería cuando se exceden los límites de corriente y temperatura. Por cierto, precisamente para evitar el uso de baterías de iones de litio en equipos no adaptados para su uso, los fabricantes se negaron durante algún tiempo a producir baterías en dimensiones idénticas a las de los tamaños estándar domésticos masivos.
Hoy, bajo el nombre de «baterías de litio», se combina el litio con diferentes rellenos químicos:
- litio / cloruro de tionilo ( Li / SOCl2 );
- óxido de litio / azufre ( Li / SO2 );
- óxido de litio / níquel ( Li / NiO2 );
- óxido de litio / manganeso ( Li / MnO2 ).
El tipo de baterías de litio más estudiado y tecnológicamente avanzado son las celdas basadas en óxidos de litio / manganeso ( Li / MnO2 y Li / Mn2O4 ), por lo que son las más asequibles de todo el grupo. Su capacidad es menor que la de los materiales a base de cobalto, pero son más económicos y no requieren un controlador complejo para controlar los procesos de carga y descarga. El Li / NiO2 tiene una mayor capacidad que el óxido anterior, pero es más difícil de fabricar y más peligroso. Por lo tanto, para mejorar la seguridad, se han comenzado a usar óxidos mixtos de cobalto y níquel (20-30% de níquel) en baterías de alta capacidad.
Características de las baterías Li-Ion.
Las baterías Li / SOCl2 se caracterizan por el voltaje de salida más alto (3.6 V), el rango de temperatura más amplio (de -55 a +85 ° C), corrientes muy pequeñas y baja corriente de autodescarga. Sin embargo, las baterías con este tipo de electrolito no pueden soportar altas temperaturas. Y dado que con corrientes de descarga significativas con la resistencia interna de la batería, se puede generar calor que excede el nivel permitido, se introduce un fusible limitador de corriente (termistor) en el diseño del elemento, que no permite sobrecargas de corriente. Sin embargo, existen series especiales Li / SOCl2 capaces de generar corrientes de descarga elevadas y funcionar normalmente a altas temperaturas. Esto se logró gracias al diseño especial del cuerpo cilíndrico, que evita la penetración de vapores húmedos del exterior, pero no interfiere con el escape de gases.
Una serie de baterías basadas en Li / SO2 tienen aproximadamente las mismas limitaciones, que también son críticas para altas temperaturas y no permiten descargas de alta corriente, pero tienen un voltaje de funcionamiento más bajo (3,0 V). Por cierto, de todas las baterías de iones de litio, esta serie apareció en el mercado antes que las otras.
A pesar de que los nuevos materiales de los electrodos tienen varias veces menos energía eléctrica específica en comparación con el litio puro, las baterías basadas en ellos son más seguras para el consumidor, siempre que se tomen ciertas precauciones durante el proceso de carga-descarga. Al mismo tiempo, las características específicas de carga-descarga de las baterías de iones de litio basadas en óxidos superan las de los acumuladores de NiCd y NiMH, al menos dos veces. Funcionan bien a altas corrientes (lo que es necesario, por ejemplo, en teléfonos móviles y ordenadores portátiles) y tienen una baja autodescarga (para baterías actuales, solo 2-5% por mes). Como todas las baterías, las baterías de litio están sujetas a envejecimiento, pero en menor medida que muchos de sus competidores: después de 2 años, la batería retiene más del 80% de su capacidad.
Precauciones de carga y descarga de las baterías Li-Ion.
Sin embargo, la tecnología de iones de litio aún requiere precauciones de seguridad, por lo que cada paquete de baterías debe estar equipado con un circuito de control eléctrico para limitar el voltaje máximo de cada celda durante la carga, así como para evitar que el voltaje de la celda caiga por debajo de los niveles aceptables para una vida útil y prolongada de la batería. Además, la corriente máxima de carga y descarga debe limitarse y la temperatura de la celda debe controlarse. Estas medidas conllevan un incremento en el costo de las baterías a base de litio, que es el principal obstáculo para su mayor distribución, sin mencionar el alto costo tanto del litio en sí como de la tecnología para producir estas baterías (un ambiente inerte, purificación de solventes no acuosos, etc).
Ventajas y desventajas de las baterías de Ion Litio.
La principal desventaja de las baterías de iones de litio es su elevado coste. Por otro lado, el mercado actual de las pilas de litio y las baterías de pequeña capacidad, cuyo precio no puede ser elevado por definición, está en constante expansión, aparecen cada vez nuevas áreas de aplicación, por lo que las baterías de iones de litio son las de uso mas extendido en la actualidad.
Ya en 1991, Sony comenzó la producción comercial de baterías de iones de litio y ahora es uno de los proveedores más importantes. Según el tipo de material del electrodo negativo, las baterías de iones de litio se pueden dividir en dos grandes grupos: con un electrodo negativo a base de coque (tecnología Sony) y a base de grafito. Las fuentes de corriente con un electrodo negativo basado en grafito tienen una curva de descarga más suave con una fuerte caída de voltaje al final del ciclo de descarga en comparación con la curva de descarga menos profunda de una batería con un electrodo de coque (hollín). Para obtener la máxima capacidad posible, el voltaje de descarga final de las baterías con electrodo negativo de coque (hollín) suele establecerse más bajo que el de las baterías con un electrodo de grafito. Así pues, las baterías de iones de litio similares en factor de forma de la misma compañía con un voltaje nominal de 3.6 V son, por regla general, baterías con un electrodo de hollín y 3.7 V con grafito, es decir, los fabricantes introducen deliberadamente diferencias en el voltaje nominal para igualar las características. Hoy en día, cada vez más fabricantes prefieren producir baterías de Li-Ion con electrodo negativo de grafito, ya que son capaces de proporcionar una mayor corriente de carga y menos calentamiento durante la carga y descarga que las baterías de coque.
De las ventajas de los acumuladores de iones de litio modernos en comparación con otras tecnologías, se pueden señalar las siguientes:
- Nivel más alto de capacidad específica y densidad de corriente de descarga;
- Autodescarga mínima (para algunos tipos de baterías de iones de litio a 20 ° C, no más del 3% por año;
- Larga vida útil (hasta 10 años);
- Gran cantidad de ciclos de carga-descarga (se garantizan más de 1000 ciclos);
- Rendimiento en un amplio rango de temperaturas;
- Alto rendimiento en energía almacenada y disponibilidad constante para el trabajo.
Cabe señalar que las celdas estándar proporcionan una mayor corriente media y altos voltajes de descarga en un amplio rango de temperatura de funcionamiento, mientras que las celdas de alta capacidad aseguran una vida más larga a bajas corrientes.
En cuanto a la principal desventaja de las baterías de Li-Ion , el alto precio, hoy se está resolviendo el problema de reemplazar el óxido de cobalto de las baterías con materiales menos costosos, lo que conducirá a una disminución de su costo en los próximos años en aproximadamente la mitad. Las acciones adicionales en términos de reducir el costo de las baterías de Li-Ion cuando se utilizan nuevos materiales radican en aumentar la seguridad de esta tecnología en las fuentes de alimentación.
Sin embargo, la tecnología Li-Ion tiene otras desventajas además de su alto precio. Se sabe que las baterías de iones de litio estándar funcionan mejor a temperatura ambiente, y que operar a temperaturas elevadas acortará su vida útil, ya que esto conduce a un envejecimiento acelerado acompañado de una mayor resistencia interna. Los acumuladores de iones de litio también reaccionan mal a temperaturas por debajo de cero grados.
Hay más desventajas de las tecnologías basadas en litio, se pueden señalar las siguientes: a la batería de iones de litio no le gusta la descarga profunda, es muy exigente con el rango de temperatura (cuando un dispositivo con una batería de litio se enfría demasiado, la resistencia interna de las baterías aumenta, lo que puede manifestarse en el apagado espontáneo del dispositivo), hay riesgo de explosión en caso de fuga y pierde capacidad gradualmente con el tiempo (es decir, envejece incluso cuando la carga está desconectada). En una palabra, todavía dista mucho de ser una fuente de energía ideal, aunque casi todas estas desventajas se compensan con una alta intensidad energética específica.
Estado actual de las baterías Li-Ion.
En los últimos años, el panorama general de la producción de acumuladores de iones de litio ha experimentado cambios significativos. Los fabricantes están mejorando continuamente la tecnología, encontrando materiales de electrodos y composición de electrolitos más modernos. Paralelamente, se están realizando esfuerzos para mejorar la seguridad de las baterías de litio a nivel de fuentes de corriente individuales y circuitos de control.
Los científicos del Laboratorio Nacional Estadounidense (INEEL) en Idaho anunciaron el desarrollo de un nuevo diseño de batería de litio que amplía enormemente la funcionalidad de este dispositivo tradicional y supera sus deficiencias.
El principal cambio de diseño es el uso de una mezcla de polímero gelificado y polvo cerámico, que forma una membrana transparente que actúa como electrolito cuando entra en contacto con dos electrodos. La aplicación de este diseño a las baterías Li-ion tiene una serie de ventajas sobre los diseños tradicionales, donde los líquidos y geles se utilizan como electrolitos. En primer lugar, el nuevo diseño excluye la posibilidad de fuga de electrolito (ya que el electrolito es sólido) y no hay deposición de una capa aislante en la superficie de los electrodos, lo que conduce a una reducción en el tiempo de funcionamiento de la batería y, al final, a la pérdida de su rendimiento. La ausencia de electrolito líquido, (que resultaba potencialmente inflamable y en algunos casos provoca explosiones durante la carga de la batería), aumenta significativamente la seguridad de uso.
Baterías de Polímero de Litio.
Recientemente, en el campo de la tecnología de baterías de Ion litio, se ha producido una transición a un nuevo tipo de polímero de litio ( batería de polímero de litio). En realidad, no existen diferencias fundamentales entre estas tecnologías, sin embargo, con casi la misma densidad de energía que las baterías de iones de litio, las baterías de polímero de litio se pueden fabricar en varias formas geométricas de plástico, lo que es especialmente importante para dispositivos de electrónica de consumo y dispositivos en miniatura. Las baterías de polímero de litio, llenan todo el espacio libre dentro del dispositivo portátil y no requieren un compartimento especial, como antes. Por lo tanto, cuando se usa una batería de polímero de litio de la misma capacidad específica que una batería cilíndrica tradicional, al elegir la forma óptima y llenar todos los volúmenes no utilizados, es posible ahorrar entre un 20 y un 30% más de energía sin cambiar la forma del dispositivo portátil en sí.
La principal diferencia entre el polímero de litio ( Li-Pol , Li-Polymer) y las baterías de iones de litio se encuentra en su propio nombre y consiste en el tipo de electrolito utilizado. Un electrolito de polímero sólido seco (o electrolito de gel de polímero) es como una película de plástico y no conduce electricidad, pero permite el intercambio iónico. Como resultado, es posible simplificar el diseño del elemento, ya que el electrolito de polímero no está amenazado con fugas, lo que significa que no hay necesidad de garantizar la estanqueidad. El electrolito polimérico reemplaza al separador tradicional impregnado de electrolito poroso. Tal diseño de celdas es más seguro, hace que el proceso de su fabricación sea menos complicado y permite la producción de baterías delgadas de forma arbitraria, desafortunadamente, los electrolitos de polímero seco tienen una conductividad eléctrica insuficiente incluso a temperatura ambiente. Su resistencia interna es demasiado alta y no puede proporcionar la cantidad de corriente requerida por los dispositivos portátiles modernos. Además, debido al insuficiente desarrollo de la tecnología de fabricación las baterías de Li-Pol siguen siendo demasiado caras y de corta duración: el número garantizado de ciclos completos de carga y descarga para ellas es al menos 2 veces menor que para las de Li-Ion . Sin embargo, las soluciones intermedias, con electrolito de helio líquido, ya son muy fiables y se utilizan ampliamente.
Muy interesante es justo lo que estaba buscando, gracias por tan buena info!!!
Gracias Beatriz!!!, intentamos suministrar la mejor información.