Las baterías de litio alimentan numerosos dispositivos electrónicos, desde ordenadores portátiles y teléfonos hasta sistemas de almacenamiento de energía. Su diseño ligero las convierte en fuentes de energía de alta densidad, a la vez que recargables, lo que garantiza la máxima durabilidad y fiabilidad.
Las baterías de iones de litio pueden ser peligrosas cuando se desechan; descubre aquí cómo reciclarlas de forma segura. El óxido de litio y cobalto (LiCoO₂) y otros materiales de intercalación se utilizan a menudo en lugar del litio metálico elemental para la fabricación de baterías de iones de litio.
¿Qué es una batería de iones de litio?
Las baterías de iones de litio (Li-ion) se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos que requieren un almacenamiento de energía de alta capacidad, como teléfonos móviles y ordenadores portátiles, juguetes, herramientas eléctricas portátiles y pequeños electrodomésticos, así como en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía. Las baterías de iones de litio son ampliamente conocidas por su larga vida útil, su alta densidad energética y su buena capacidad de carga, así como por su durabilidad; a diferencia de sus tecnologías rivales —el níquel-cadmio o el níquel-hidruro metálico—, no se degradan con el uso habitual como ocurre con otras tecnologías recargables basadas en el níquel-cadmio o el níquel-hidruro metálico.
Las baterías de litio generan electricidad mediante el paso de iones de litio entre su electrodo negativo (ánodo) y su electrodo positivo (cátodo) a través de una solución electrolítica, lo que genera electricidad. Presentan una de las densidades energéticas más altas entre las tecnologías de baterías recargables, ya que proporcionan alrededor de 300 Wh/kg, frente a los aproximadamente 75 Wh/kg de otras tecnologías.
Las baterías de iones de litio contienen múltiples componentes que garantizan su seguridad y fiabilidad, como un separador que evita que las celdas entren en contacto entre sí. Cualquier alteración de este separador podría provocar una acumulación de calor en el interior de la celda y dar lugar a un incendio; además, esta batería también cuenta con un circuito regulador de tensión y un monitor del estado de carga para regular el flujo de energía que entra y sale de ella.
Los materiales activos que se encuentran en las baterías —los que forman el cátodo y el ánodo— pueden estar compuestos por diversos elementos o compuestos; algunas de las opciones más habituales son el óxido de litio y cobalto (LiCoO₂), el óxido de litio y manganeso y el fosfato de litio y hierro. La energía específica y la potencia específica constituyen una guía importante a la hora de elegir la composición química de la batería, ya que miden la capacidad y la capacidad de carga, respectivamente.
Otras consideraciones clave a la hora de comprar baterías incluyen características físicas como el tamaño, la forma y el peso. El tipo de composición química elegido también puede tener una influencia significativa, ya que los diferentes materiales de cátodo presentan mayor durabilidad o eficiencia en comparación con otros; por ejemplo, las baterías NMC combinan níquel, manganeso y cobalto en sus ánodos para lograr un equilibrio óptimo entre rendimiento y coste; su estructura resiste mejor la tensión mecánica y cuenta con una alta capacidad de corriente de carga, lo que permite tiempos de ciclo más cortos sin pérdida de capacidad.
¿Cómo funciona una batería de iones de litio?
Las baterías de iones de litio alimentan la mayoría de los ordenadores portátiles, teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos de consumo; incluso han ido ganando cuota de mercado en aplicaciones para autocaravanas, embarcaciones y de ciclo profundo. Pero, ¿qué son exactamente las baterías de iones de litio? Funcionan de forma diferente a las pilas tradicionales de plomo-ácido y níquel-cadmio, ya que los iones de litio se desplazan entre los electrodos positivos (cátodos) y los negativos (ánodos), generando una corriente eléctrica que alimenta el dispositivo.
Las baterías de iones de litio constan de tres partes principales: el ánodo, el cátodo y el electrolito. El ánodo suele estar fabricado con grafito, debido a su excelente conductividad, mientras que el cátodo puede estar compuesto por óxidos metálicos como el óxido de litio y cobalto (LiCoO₂) o el fosfato de litio y hierro (LiFePO₄); ambos elementos están separados por un separador que solo permite el paso de los electrones.
Las baterías cargadas utilizan iones de litio que se desplazan a través de un electrolito y un separador desde el cátodo hasta el ánodo; tanto el electrodo positivo como el negativo están recubiertos de materiales activos (básicamente sales) para la transferencia de carga; cuando comienza la descarga, los iones de litio del ánodo se desplazan hacia el cátodo para formar enlaces de carbono con él y generar cargas eléctricas negativas que extraen electrones del dispositivo al que alimenta la batería.
La tecnología de las baterías de iones de litio destaca frente a otras tecnologías de baterías por su proceso reversible. Los iones se almacenan en los ánodos de grafito mediante intercalación, una reacción de inserción con propiedades altamente reversibles que hacen que el ánodo sea extremadamente resistente a la degradación y a los ciclos de carga y descarga.
Las baterías de iones de litio ofrecen una alta densidad energética en comparación con otras tecnologías, gracias a su capacidad para almacenar más iones de litio. Además, sus menores índices de autodescarga hacen que duren más tiempo entre recargas; esta característica hace que las baterías de iones de litio sean ideales para ordenadores portátiles y teléfonos móviles que se utilizan con frecuencia.
¿Cuáles son los diferentes tipos de baterías de iones de litio?
Las baterías de iones de litio se han convertido en una de las tecnologías de baterías recargables más populares para los dispositivos electrónicos de consumo, gracias a su mayor densidad energética, a sus tensiones de celda de moderadas a altas y a su menor peso en comparación con otros tipos de baterías. Se prevé que las baterías de iones de litio superen también a otros tipos en aplicaciones de transporte y almacenamiento de energía.
Antes de que las baterías de iones de litio se popularizaran, las baterías recargables de níquel-cadmio (NiCad) eran la tecnología líder en el sector de las baterías recargables. Las baterías NiCad utilizan materiales como el hidróxido de óxido de níquel y el cadmio metálico como electrodos; sin embargo, se están quedando rápidamente obsoletas a medida que las baterías de iones de litio se afianzan en el mercado.
Las baterías de iones de litio se presentan en numerosas variedades, siendo las de óxido de litio y cobalto (LCO) una de las más populares. Las LCO ofrecen una alta densidad energética y se utilizan ampliamente en dispositivos móviles como tabletas, ordenadores portátiles y cámaras digitales, además de estar muy extendidas en los vehículos eléctricos.
La batería LCO cuenta con un electrolito no acuoso compuesto por carbonatos orgánicos, como el carbonato de etileno y el de propileno, que contienen complejos de iones de litio. Se almacena en un recipiente hermético para evitar la entrada de humedad. Al igual que todas las baterías, su rendimiento se degrada con el tiempo y el uso; los entornos cálidos y fríos aceleran esta tasa de degradación, al igual que los ciclos de sobrecarga o descarga que superan los límites de capacidad.
Las baterías de óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) son un tipo innovador de tecnología de baterías de iones de litio, conocidas por su seguridad y su larga vida útil, y que suelen utilizarse en vehículos eléctricos u otras aplicaciones de alto rendimiento.
Además de diferir en tamaño y forma, las baterías de iones de litio también varían considerablemente en su composición. Algunos modelos cuentan con una carcasa metálica, mientras que otros utilizan una carcasa de plástico o incluso tecnología totalmente de estado sólido en su fabricación.
Un vehículo eléctrico (VE) requiere tanto una batería de iones de litio como un sistema de gestión de la batería (BMS), estando este último destinado a evitar la sobrecarga y los cortocircuitos, supervisar los datos sobre el estado y el rendimiento de la batería con fines informativos y proporcionar al sistema informático la información necesaria para el funcionamiento seguro del VE.
¿Cuáles son las ventajas de las baterías de iones de litio?
Las baterías de iones de litio presentan la mayor densidad energética de todas las tecnologías de baterías actuales, lo que las convierte en la solución ideal para los dispositivos electrónicos miniaturizados y los aparatos inalámbricos modernos. Además, las celdas de iones de litio no contienen los metales tóxicos presentes en las celdas de níquel-cadmio y de plomo, lo que hace que sean más seguras de manipular y eliminar al final de su vida útil.
Son mucho más ligeras que otros tipos de baterías gracias a la combinación de carbono y litio como materiales de los electrodos, ya que el litio puede almacenarse a alta densidad en los ánodos de grafito o en los cátodos de LiCoO₂ —un ion de litio por cada seis átomos de carbono— antes de pasar al cátodo para descargarse durante el proceso de descarga; a continuación, sus iones de litio se combinan con electrones para generar la electricidad que alimenta nuestros teléfonos y cámaras digitales.
Las baterías de iones de litio destacan entre los demás tipos de baterías por su capacidad para conservar la carga durante mucho más tiempo, ya que normalmente solo pierden alrededor del cinco por ciento al mes. Una batería de iones de litio típica suele perder solo alrededor del 5 por ciento.
A medida que aumente en el futuro la demanda de dispositivos electrónicos portátiles, vehículos totalmente eléctricos y sistemas de almacenamiento estacionarios, la densidad energética de las baterías de iones de litio deberá seguir aumentando para satisfacerla. Uno de los principales retos radica en aumentar la capacidad de los materiales de ánodo fabricados con carbono duro o grafito; el silicio tiene la mayor capacidad teórica (372 mAh g⁻¹), pero, debido a su escasa estabilidad cíclica, resulta difícil de incorporar a una célula electroquímica.
Los investigadores están estudiando nuevos materiales para su uso como cátodos y ánodos en baterías de iones de litio, y los polímeros conductores se encuentran entre las principales opciones. Entre estos polímeros se encuentran la polianilina (PANI), el polipirrol (PPY) y el politiofeno (PT), que presentan una alta conductividad a temperatura ambiente y, al mismo tiempo, son fáciles de transformar en láminas finas con un coste reducido y unos procesos de fabricación mínimos.
Las baterías de iones de litio destacan por ser especialmente resistentes a la inestabilidad térmica en comparación con otros tipos de baterías, lo que, de otro modo, podría provocar una peligrosa deposición de litio metálico o un incendio incontrolable. Esto se debe a los circuitos de protección integrados en cada célula, que evitan que su tensión máxima supere los límites aceptables durante la carga o la descarga, además de supervisar la temperatura de las células para evitar el sobrecalentamiento.