Cómo prolongar una batería de litio

Los iones de litio del ánodo viajan a través de un electrolito hasta llegar al cátodo, donde se combinan con electrones para generar una carga eléctrica que le permite suministrar energía cuando es necesario. Así se crea el exclusivo sistema de alimentación de la batería.

Los recientes avances en la selección del material del ánodo de silicio tienen como objetivo evitar que los iones de Li queden atrapados en las paredes del electrolito y mejorar su reversibilidad [155].

Mayor vida útil

Las baterías de litio alimentan millones de vidas cada día, desde ordenadores portátiles y teléfonos móviles hasta coches híbridos y eléctricos. Sus ventajas van desde la alta densidad energética, el peso ligero, la rapidez de carga y una vida útil más larga que la de las baterías de plomo-ácido. La clave para prolongar la vida útil de las baterías de litio reside en comprender cómo se degradan con el tiempo y tomar medidas proactivas para prolongarlas, lo que incluye saber qué tipo de batería de litio necesita un cuidado más específico en cuanto a velocidad de carga, profundidad de descarga, carga, etc., además de evitar errores comunes como la sobrecarga y el almacenamiento a temperaturas elevadas.

La capacidad de las baterías de iones de litio se reduce gradualmente con el tiempo debido a reacciones químicas que degradan los electrodos y el electrolito, aumentando la resistencia interna y acortando su tiempo de funcionamiento. Este proceso se produce tanto si la batería se utiliza con regularidad como si no se utiliza; sin embargo, realizar ciclos periódicos y almacenarla a una temperatura fresca puede ayudar a ralentizar significativamente este proceso de degradación.

El número de ciclos de las baterías de litio depende de las condiciones de carga y descarga, así como de la temperatura de funcionamiento. Los dispositivos de consumo suelen cargarlas a 4,20 V por celda para maximizar la capacidad y el tiempo de funcionamiento; las aplicaciones industriales, sin embargo, suelen utilizar umbrales de tensión más bajos, como los de los satélites o los vehículos eléctricos, para aumentar su longevidad.

Para una duración óptima de la batería, evita los cargadores rápidos, ya que la calientan y degradan rápidamente. Además, limite la frecuencia con la que la descarga, ya que esto aumenta su resistencia interna y acorta el tiempo de funcionamiento y la vida útil del ciclo.

Las baterías de litio de ciclo profundo de Ionic presumen de una vida media de 3.000 a 5.000 ciclos completos con 80% de capacidad restante, lo que se consigue gracias al uso exclusivo de materiales de fosfato de hierro y litio (LiFePO4) de máxima calidad, diseñados para ser compatibles con diversas cargas y cargadores, y a la monitorización por Bluetooth que ofrece información sobre el estado de carga en tiempo real y calcula el tiempo de funcionamiento restante, lo que proporciona tranquilidad a nuestros clientes marinos a la hora de planificar con antelación y necesitar su batería cuando más la necesitan.

Mayor densidad energética

Las baterías de litio tienen una alta densidad energética, lo que significa que almacenan una cantidad considerable de energía en un espacio reducido (citando al profesor Paul Christensen). Para convertir la energía química en corriente eléctrica, los iones de litio deben moverse entre un ánodo y un cátodo a través de un separador poroso ánodo-cátodo y una capa de electrolito; la carga y descarga repetidas mejoran sustancialmente el rendimiento con el tiempo.

Existen varios tipos de baterías de litio recargables en el mercado, cada una con su propia química interna. Aunque algunas pueden costar más que otras, todas tienen una densidad de energía mayor que las baterías de plomo-ácido, lo que significa que almacenan más carga eléctrica por kilogramo o volumen y, por tanto, ofrecen mayor autonomía o más horas de uso de la herramienta eléctrica sin aumentar significativamente el tamaño o el peso.

La tecnología de las baterías está en constante evolución, y los investigadores buscan continuamente formas de mejorar los componentes existentes. La profesora Corie Cobb, de ME, y su laboratorio de fabricación integrada centran su investigación en el diseño de arquitecturas de electrodos en 3D que agilicen la fabricación de baterías; J Devin MacKenzie, de ME y de la facultad de ciencia e ingeniería de materiales (MSE), también está explorando aleaciones de antimonio de ingeniería estructural como materiales para baterías.

La densidad energética es uno de los parámetros clave de cualquier batería. Mide cuánta energía puede almacenar una célula o batería por unidad de masa o volumen, lo que la hace especialmente crítica en aplicaciones como los vehículos eléctricos, que necesitan largas distancias de conducción con requisitos de peso y tamaño manejables.

Las baterías de mayor densidad energética ofrecen tiempos de funcionamiento más prolongados antes de necesitar ser recargadas, lo que ayuda a reducir el consumo de combustible y los costes de mantenimiento, a la vez que hace que las baterías más pequeñas quepan de forma más compacta en los diseños de los vehículos, proporcionando más potencia para tareas de aceleración o carga elevada.

Las baterías de mayor densidad energética pueden reducir significativamente su tamaño y peso totales, lo que las hace especialmente útiles para la electrónica portátil y los vehículos eléctricos, donde cada kilogramo cuenta. Desgraciadamente, las baterías de alta densidad pueden tener perfiles de voltaje menos que ideales para ciertos usos y no proporcionar una ráfaga rápida de energía cuando es necesario.

Carga más rápida

A medida que aumenta el número de personas que optan por los vehículos eléctricos, crece la demanda de baterías de litio que se carguen rápidamente. Mientras que las baterías tradicionales de plomo-ácido sólo alcanzan una profundidad de descarga de 50%, las baterías de iones de litio tienen una profundidad de descarga de 99%, lo que las hace ideales para aplicaciones que consumen mucha energía, como los vehículos eléctricos. Su mayor velocidad de carga también reduce los tiempos de recarga.

Las baterías de iones de litio utilizan dos electrodos compuestos de óxido metálico y carbono poroso para almacenar energía, respectivamente. Durante la carga, los iones se mueven libremente entre estos electrodos a través de un electrolito y un separador; durante la descarga, el ánodo se oxida y pierde electrones, y la recarga los devuelve al cátodo.

Los ingenieros han desarrollado materiales, como materiales de aleación de silicio, germanio y antimonio, que pueden almacenar mejor los iones de litio que los ánodos de grafito intercalando estos iones entre capas de grafeno. Por desgracia, estos materiales de aleación cambian físicamente durante los ciclos de carga y descarga, lo que puede provocar pérdidas de rendimiento o fallos.

Investigadores de la Universidad de Cornell han descubierto un método para minimizar los cambios de volumen físico, lo que hace posibles baterías de litio de alto rendimiento con velocidades de carga más rápidas. Mediante la adición de indio (normalmente utilizado en revestimientos de pantallas táctiles), su equipo redujo las barreras energéticas entre electrodos, facilitando el desplazamiento de los iones entre ellos.

Los investigadores advirtieron de que es esencial ser consciente de los inconvenientes asociados a la carga rápida. Una carga más rápida requiere una corriente y una potencia mucho mayores, lo que puede reducir significativamente la vida útil de las baterías, sobre todo en las de iones de litio.

Los expertos aconsejan seguir las tasas de carga recomendadas por los fabricantes de baterías para maximizar su longevidad, y recomiendan cargar las Power Cells a 1C para garantizar que su ánodo y cátodo no estén sometidos a tensiones excesivas; sin embargo, para los conductores de vehículos eléctricos (VE) esto puede no ser siempre viable debido a las limitadas distancias de conducción posibles con las baterías de iones de litio.

Menor coste

Las baterías de litio ofrecen muchas ventajas sobre las de plomo-ácido, entre ellas el coste. Como las pilas de litio duran más, pesan menos y funcionan con mayor eficacia, su rentabilidad las convierte en la mejor inversión a lo largo del tiempo, ahorrándole dinero con cada compra o sustitución, así como en combustible para motores o generadores.

Las baterías de iones de litio se han convertido en una fuente de energía increíblemente popular para la electrónica de consumo, los vehículos híbridos y los coches eléctricos debido a su ligereza y alta densidad energética. Su diseño permite aumentar la capacidad y, al mismo tiempo, reducir considerablemente los costes. Este diseño ha permitido aumentar enormemente la capacidad y, al mismo tiempo, reducir significativamente los costes.

Con el avance de la tecnología, los fabricantes han podido reducir aún más los costes utilizando mejores materiales y optimizando los procesos de producción. Los métodos de producción ajustada, que se centran en minimizar los residuos y optimizar la productividad, son especialmente prometedores para reducir los costes asociados a la producción de baterías.

Los problemas de seguridad siguen siendo uno de los principales obstáculos para la adopción generalizada de las baterías de iones de litio, con el embalamiento térmico (una serie de reacciones químicas que provocan un incendio) como uno de los principales. Las baterías de iones de litio pueden ser susceptibles de sufrir este problema si sus cátodos o ánodos sufren grietas o cortocircuitos; sin embargo, las mejoras en la química celular y las tecnologías de envasado han hecho que estas baterías sean más seguras que nunca.

Las baterías de iones de litio se han convertido en la opción preferida para las aplicaciones de SAI debido a su menor coste total de propiedad, especialmente en el caso de los SAI trifásicos, que suelen ser más grandes y costosos que sus homólogos monofásicos.

A medida que evoluciona la industria del litio, nuevas innovaciones como el polímero de litio seco están abriendo nuevas e interesantes vías para la química y el diseño de las baterías. Estos avances prometen ciclos de vida más largos con mayores profundidades de descarga sin riesgo de fuga térmica u otros problemas de seguridad, lo que significa que podríamos ver cómo las baterías de iones de litio se convierten en una presencia aún más frecuente en las aplicaciones que antes.