Cómo recargar correctamente una batería de litio

Las baterías de litio ofrecen una solución energética ideal, ya que se cargan rápidamente y duran más que la tecnología tradicional de baterías de plomo-ácido. Sin embargo, una carga inadecuada puede acortar considerablemente su vida útil.

Las baterías de litio no deben cargarse a cuentagotas, ya que pueden dañar las celdas al recubrirlas con metal de litio, lo que podría destruirlas por completo. En su lugar, deben cargarse hasta alcanzar la carga de saturación de fase 1.

Electrolito

Los electrolitos son líquidos utilizados para transportar la corriente entre los electrodos de las baterías de litio y pueden ser acuosos o a base de disolventes orgánicos. Los primeros ofrecen una mayor densidad energética pero son más inflamables, mientras que los electrolitos a base de disolventes orgánicos tienden a tener una volatilidad reducida y, al mismo tiempo, ofrecen un rendimiento deficiente; recientemente se están llevando a cabo investigaciones para mejorar el rendimiento de los electrolitos con el fin de alcanzar niveles de rendimiento más elevados.

Los electrolitos suelen consistir en litio, pero también pueden añadirse otros elementos para variar. Sus iones se unen fuertemente a un ánodo y un cátodo mediante intercalación; cuando los iones cargados se unen a electrones dentro de su material huésped mediante este método. Cuando la pila se descarga, sus iones vuelven a quedar libres para viajar a través de su electrolito hacia su cátodo, donde liberan estos electrones que fluyen a lo largo de cables externos para ser utilizados como corriente.

Las baterías de iones de litio ofrecen una alta densidad energética y son recargables varias veces. Hoy las encontramos en teléfonos, cámaras digitales y ordenadores portátiles; sin embargo, estas baterías de iones de litio tienen algunos inconvenientes importantes, como la inestabilidad térmica; por ejemplo, si un ánodo se sobrecalienta, podría producirse oxígeno, que es inflamable; esto también se aplica a los cátodos en descomposición, que producen oxígeno como parte de su proceso de descomposición.

Los investigadores están avanzando para mejorar el rendimiento de las baterías de litio mediante la investigación de nuevos electrolitos. Hay dos grandes categorías de electrolitos: los líquidos iónicos y los electrolitos poliméricos. Los electrolitos líquidos iónicos consisten en sales disueltas en disolventes cuya conductividad y estabilidad de voltaje varían en función del tamaño de los grupos de cationes y éteres disueltos en su interior; los cationes y grupos éteres más grandes suelen tener viscosidades y puntos de fusión más bajos que sus homólogos.

Ánodo

El grafito es un material ideal para servir de ánodo en las baterías de litio debido a sus requisitos de bajo voltaje y capacidad de rendimiento, su alta densidad energética y su capacidad para intercalar iones de litio, lo que le permite almacenar carga eléctrica. Los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo durante los procesos de carga y regresan de nuevo durante la descarga para crear la electricidad que alimenta dispositivos como teléfonos móviles o vehículos.

La carga de las pilas de litio requiere la aplicación de una fuente eléctrica externa con una sobretensión. Esto hace que los electrones fluyan desde el ánodo positivo (cargado positivamente) hacia el cátodo negativo y muevan los iones de litio entre estos electrodos: la carga electroquímica es lo que proporciona a las pilas de litio una carga tan eficiente.

Los materiales de los ánodos de las baterías de litio deben diseñarse cuidadosamente para ofrecer una alta capacidad con ciclos de vida largos. El ánodo debe almacenar grandes cantidades de iones de litio con una expansión de volumen mínima y, al mismo tiempo, ser conductor eléctrico para permitir el paso fluido de los iones de litio a través de la célula.

Además de ser seguros y sostenibles desde el punto de vista medioambiental, los materiales de los ánodos también deben ser rentables y garantizar la fiabilidad de las operaciones de la cadena de suministro. Por eso, muchas empresas recurren a materiales reciclados para ánodos y cátodos; no solo se reducen así las necesidades de materias primas, sino también los costes de producción.

Al principio, el litio metálico se consideraba el material anódico ideal para las baterías de litio por su elevada capacidad energética específica y sus problemas de seguridad. Pero con el tiempo, la investigación se orientó hacia materiales más seguros, como el coque y el grafito, que ofrecen mayor estabilidad con menor capacidad, aunque estas sustancias también presentan problemas de formación de dendritas.

Cátodo

Los cátodos son los electrodos negativos de una pila de litio. Durante la carga, un circuito externo suministra energía que hace que los electrones se desplacen de los electrodos positivos a los negativos y liberen energía química en forma de iones de litio que viajan a través de un electrolito y se incrustan dentro del cátodo por intercalación, ya que liberan carga eléctrica y se mueven libremente dentro de sus respectivas celdas.

Las baterías de litio utilizan varios tipos de cátodos. El LiCoO2, con su estructura de espinela de manganeso que proporciona velocidades de descarga y recarga rápidas, sigue siendo la opción de cátodo más popular, pero tiene una energía específica baja y una vida útil más corta en comparación con otras alternativas, como los cátodos de níquel-manganeso-cobalto-grafito.

Los científicos han trabajado para aumentar tanto la capacidad como el voltaje del LiCoO2, junto con otros materiales catódicos. Uno de los enfoques consiste en combinar LiCoO2 con otros materiales, como el silicio, que puede absorber 10 veces más iones de litio que su forma original; sin embargo, la inserción/extracción repetida de iones Li+ dentro/fuera del silicio puede provocar la formación de una indeseable interfaz de electrolito sólido (SEI), lo que disminuye tanto la capacidad de almacenamiento de carga como la estabilidad cíclica de los cátodos.

Los esfuerzos de investigación se centran actualmente en crear un material de cátodo con mayor energía específica que el grafito utilizado en la mayoría de las baterías de iones de litio. Entre las posibles alternativas figuran el negro de humo, los fluorofosfatos y los carbonos duros, y algunas empresas están estudiando incluso la posibilidad de utilizar grafeno (una lámina de carbono de un átomo de grosor) tanto para ánodos como para cátodos.

Separador

Al cargar y descargar las baterías, un separador actúa como una fina membrana entre los electrodos positivo y negativo, permitiendo que los iones de litio pasen libremente entre los electrodos positivo y negativo, al tiempo que evita la formación de dendritas que podrían provocar cortocircuitos o incendios. Además, mantener el voltaje de la batería durante toda su vida útil requiere esta pieza esencial.

Lo ideal sería que los separadores de las baterías de iones de litio cumplieran varios criterios para lograr un rendimiento óptimo, como ser extremadamente finos, mecánicamente resistentes y eléctricamente aislantes, al tiempo que permitieran el transporte iónico y la absorción de electrolito para reducir la resistencia interna de la célula. En la práctica, este ideal suele ser difícil de alcanzar; para combatir estas dificultades se han empleado estudios numéricos con el fin de analizar las propiedades morfológicas de los separadores.

Para aumentar la densidad energética de una batería, es crucial disminuir la resistencia interna y aumentar el rendimiento. Esto puede lograrse cambiando la morfología del separador mediante modificaciones químicas, de la estructura superficial o de la geometría.

Las propiedades térmicas de los separadores desempeñan un papel fundamental en la seguridad de las baterías, ya que su forma influye en la estabilidad de la interfase y en la interfaz del electrolito sólido (SEI). Además, esto ayuda a evitar cortocircuitos entre los electrodos anódico y catódico y a prolongar la vida útil de las baterías.

La caracterización de una batería puede realizarse utilizando un multímetro o un osciloscopio para evaluar su capacidad de carga y descarga. Una batería sana se determina cuando su capacidad alcanza 100% de su capacidad nominal; sin embargo, este enfoque puede resultar inexacto cuando se somete a un uso intensivo; además, basarse únicamente en los ciclos para medir la salud puede sobrestimar las estimaciones de vida útil.

Sistema de gestión de baterías

Los sistemas de gestión de baterías (BMS) son componentes esenciales de las baterías recargables, ya que garantizan un funcionamiento seguro dentro de unos límites de seguridad al tiempo que optimizan su rendimiento y vida útil. Los BMS desempeñan un papel fundamental en vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energías renovables y dispositivos electrónicos portátiles, además de ser un activo inestimable para las empresas que utilizan la generación solar o eólica para ahorrar costes o reducir las emisiones netas a cero.

Las celdas de las baterías de iones de litio deben funcionar dentro de ciertos límites de tensión para minimizar los daños y prolongar su vida útil. Un BMS supervisa estas celdas para detectar condiciones de sobretensión y subtensión, así como el equilibrado de celdas en cadenas de baterías multicelda para compensar las celdas más débiles que acortan la vida útil de la batería. Un sistema de gestión de baterías también gestiona la temperatura para garantizar que la(s) batería(s) cumple(n) el rango de funcionamiento ideal.

El sobrecalentamiento y la sobrecarga son las dos causas principales de daños en las celdas de las baterías de litio. Cuando las celdas se sobrecalientan, se producen reacciones químicas que liberan gases que se escapan, arruinándolas potencialmente y creando un riesgo de incendio. Un sistema de gestión de baterías puede detectar niveles de sobretensión y detener la carga de las celdas para evitar problemas de sobrecalentamiento.

Los BMS también pueden proteger contra cortocircuitos internos supervisando continuamente cada célula de una batería y transmitiendo estos datos a una unidad de control central. También pueden controlar los ventiladores de refrigeración de los vehículos eléctricos para mantener constante la temperatura del pack.

Un sistema de gestión de baterías debe incluir un algoritmo de control de los contactores para supervisar su estado y evitar la sobrecarga o sobredescarga de las celdas de la batería, así como identificar los fallos de los contactores y desconectar las fuentes de alimentación cuando sea necesario. Además, un sistema de este tipo debe supervisar el estado general de carga (SoC) para identificar cuándo puede ser necesario recargar o sustituir la batería; los cálculos del SoC pueden realizarse sumando el voltaje de las celdas con la corriente que entra o sale de su paquete de celdas.