Algo que debe saber sobre la batería de iones de litio

Introducción

Las baterías de iones de litio, a menudo abreviadas como LIB, son dispositivos recargables de almacenamiento de energía que se han convertido en el patrón oro para alimentar una amplia gama de tecnologías modernas. Desde nuestros teléfonos inteligentes y ordenadores portátiles hasta los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía renovable, las LIB han transformado la forma en que utilizamos y almacenamos la energía eléctrica. En este artículo, exploraremos el papel fundamental que desempeñan las LIB en estas industrias, proporcionando una mejor comprensión de sus principios de funcionamiento, materias primas, ventajas y aplicaciones.

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Figura 1. Batería de iones de litio Batería de iones de litio

Principios de funcionamiento de las baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio utilizan un proceso electroquímico extraordinario. Funcionan según el principio de transporte de iones de litio (Li+) entre dos componentes cruciales: el ánodo y el cátodo. Durante la fase de carga, los iones de litio se extraen del cátodo y se almacenan en el ánodo, creando una diferencia de energía potencial. En la fase de descarga, cuando la batería está suministrando energía, estos iones fluyen de vuelta al cátodo a través de una solución electrolítica.

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Figura 2. Estructura de la batería de iones de litio Estructura de la batería de iones de litio

Materiales de las baterías de iones de litio

En el proceso electroquímico, se seleccionan y diseñan cuidadosamente diferentes materiales LIB para maximizar el rendimiento, la densidad de energía y la eficiencia general de la batería. Estos son los principales componentes de los materiales de las baterías de iones de litio:

--Materiales de los ánodos

Los ánodos de las baterías de iones de litio suelen estar hechos de materiales que pueden intercalar (absorber y liberar) iones de litio durante los ciclos de carga y descarga. Los materiales de ánodo más comunes son el grafito y el silicio.

lEl grafito es elmaterial anódico más utilizado en las baterías comerciales de iones de litio por su estabilidad y rendimiento electroquímico .

lEl siliciotiene una mayor capacidad teórica de almacenamiento de litio que el grafito. Sin embargo, la expansión y contracción del silicio durante los ciclos de litiación y deslitiación plantean problemas de ingeniería.

--Materiales de cátodo:

Los cátodos son otro componente crítico y determinan el voltaje y la capacidad de la batería. Los distintos materiales catódicos tienen distintas mesetas de voltaje y densidades de energía.

lEl óxido de litio y cobalto (LiCoO2) se ha utilizado mucho en las primeras generaciones de BIL, sobre todo en electrónica de consumo. Ofrece una buena densidad energética, pero es menos común en aplicaciones de alta capacidad y potencia debido a problemas de seguridad y a su coste.

lEl fosfato de hierro y litio (LiFePO4) es conocido por su seguridad y larga vida útil. Suele utilizarse en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energías renovables, donde la seguridad y la longevidad son fundamentales.

l Loscátodos de litio de óxido de níquel cobalto manganeso (NCM) y los cátodos de litio de óxido de níquel cobalto aluminio (NCA) se utilizan habitualmente en baterías de vehículos eléctricos. Ofrecen un equilibrio entre densidad de energía y densidad de potencia.

lEl óxido de litio y manganeso (LMO) es apreciado por su estabilidad térmica y su seguridad, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en las que la gestión de la temperatura es una preocupación.

--Electrolito:

El electrolito es el medio conductor que permite que los iones de litio se muevan entre el ánodo y el cátodo durante la carga y la descarga. Los electrolitos más comunes son las sales de litio disueltas en disolventes orgánicos, pero se están desarrollando electrolitos sólidos para mejorar la seguridad y la densidad energética.

--Separador:

Los separadores son membranas porosas que separan físicamente el ánodo y el cátodo al tiempo que permiten el paso de los iones de litio. Suelen estar hechos de polietileno (PE) o polipropileno (PP) y desempeñan un papel fundamental en la prevención de cortocircuitos y la mejora de la seguridad.

Ventajas de las baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio ofrecen multitud de ventajas que las han convertido en la opción preferida para una amplia gama de aplicaciones. He aquí algunas de las principales ventajas de las BIL.

lEficiencia: Las LIBs tienen una alta densidad energética, son recargables y tienen una baja tasa de autodescarga.

lDurabilidad: Las LIBs pueden funcionar eficazmente en una amplia gama de temperaturas, desde el frío bajo cero hasta el calor intenso. Tienen un ciclo de vida largo, lo que significa que pueden someterse a numerosos ciclos de carga y descarga antes de experimentar una degradación significativa de su capacidad.

lSostenibilidad: Las LIB producen menos emisiones y tienen un menor impacto medioambiental que otras soluciones alternativas de almacenamiento de energía.

lSeguridad: Las modernas LIB incorporan características de seguridad como protección térmica, protección contra sobrecarga y sistemas de gestión de baterías (BMS) integrados para controlar y gestionar el rendimiento y la seguridad de la batería.

Aplicaciones de las baterías de iones de litio

Estas ventajas han posicionado a las baterías de iones de litio como una fuerza dominante en el mercado del almacenamiento de energía, impulsando innovaciones en un amplio espectro de aplicaciones:

lElectrónica de consumo: Las baterías de iones de litio alimentan nuestros teléfonos inteligentes, tabletas, ordenadores portátiles, cámaras y otros innumerables dispositivos portátiles, proporcionando la fuente de energía duradera y de alto rendimiento necesaria para nuestras vidas cada vez más conectadas.

lVehículos eléctricos (VE): Las LIB forman parte integral de la revolución de la movilidad eléctrica, ya que son el principal sistema de almacenamiento de energía en los coches eléctricos. Su capacidad para almacenar grandes cantidades de energía y suministrarla de forma eficiente ha impulsado el crecimiento del mercado de los vehículos eléctricos.

lAlmacenamiento de energía renovable: Estas baterías son cruciales para almacenar la electricidad generada por fuentes renovables, como paneles solares y turbinas eólicas. Esta energía almacenada puede utilizarse en periodos de baja producción de energías renovables o durante los picos de demanda.

l Aeroespacial: Las LIB se utilizan en aplicaciones aeroespaciales, como la alimentación de satélites, naves espaciales y vehículos aéreos no tripulados (UAV), donde su alta densidad energética y fiabilidad son esenciales.

lDispositivos médicos: Se emplean en equipos médicos, garantizando que dispositivos críticos como los desfibriladores cardíacos implantables (DCI) y los monitores médicos portátiles sigan funcionando cuando más se necesitan.

Conclusión

En resumen, las baterías de iones de litio han dado paso a una era transformadora de soluciones energéticas más limpias, eficientes y sostenibles. Estos extraordinarios dispositivos de almacenamiento de energía han revolucionado la forma en que alimentamos nuestros dispositivos, vehículos y sistemas de energías renovables, dejando una huella indeleble en diversos sectores gracias a su alta densidad energética, durabilidad y versatilidad.

En Stanford Advanced Materials (SAM) tenemos a la venta una gran variedad de materiales para baterías de iones de litio, incluyendo óxido de litio níquel cobalto manganeso (NCM), óxido de litio níquel cobalto aluminio (NCA), óxido de litio cobalto (LCO), fosfato de litio hierro (LFP), etc. Envíenos una consulta si está interesado.

Referencias:

[1] Chandler, D. L. (2023, 23 de marzo). Un estudio revela el desplome de los costes de las baterías de iones de litio. MIT News. Recuperado el 12 de septiembre de 2023, de https://news.mit.edu/2021/lithium-ion-battery-costs-0323.

[2] Ghiji, M.; Novozhilov, V.; Moinuddin, K.; Joseph, P.; Burch, I.; Suendermann, B.; Gamble, G. A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression. Energies 2020, 13, 5117. https://doi.org/10.3390/en13195117