Li-ion

Una batería de iones de litio almacena energía mediante el movimiento de iones de litio entre dos terminales, llamados ánodo y cátodo, separados por un electrolito. Cuando la batería se descarga, los iones de litio fluyen del terminal negativo a través del electrolito al terminal positivo, liberando electrones que alimentan un dispositivo. Invertir este flujo aplicando corriente externa recarga la celda. La química es rápida, eficiente y repetible durante cientos de ciclos de carga, lo que la convierte en la tecnología de almacenamiento de energía dominante en aplicaciones industriales, comerciales y de consumo.

Las baterías de iones de litio vienen en varias químicas, cada una optimizada para diferentes funciones. Las celdas de fosfato de hierro y litio (LFP) ofrecen seguridad y vida útil, útiles en el almacenamiento estacionario en red y autobuses eléctricos. La química de níquel-manganeso-cobalto (NMC) equilibra la densidad de energía y la potencia de salida, favorecida en vehículos eléctricos y herramientas eléctricas. Las celdas de polímero de litio (LiPo) son delgadas y flexibles, comunes en la electrónica portátil y los drones. El ánodo es típicamente grafito, el cátodo un compuesto de óxido metálico y el electrolito es un solvente orgánico que contiene sales de litio disueltas.

Modos de falla y límites en el mundo real

Las baterías de iones de litio se degradan con el uso. El ciclado, las temperaturas extremas, la sobrecarga y la descarga profunda reducen la vida útil y la capacidad. El embalamiento térmico, una reacción en cadena catastrófica que provoca incendios, ocurre cuando la temperatura de la celda excede aproximadamente 150 grados Celsius debido a defectos de fabricación, daños físicos, cortocircuitos eléctricos o una mala gestión térmica. Las dendritas, depósitos de litio en forma de aguja que pueden formarse en el ánodo durante la carga, conllevan el riesgo de cortocircuitos internos. Las instalaciones industriales requieren sistemas de gestión de baterías para monitorear el voltaje, la corriente y la temperatura celda por celda, equilibrando la carga y desconectando cuando se acercan los límites.

La densidad de energía varía según la química y el factor de forma. Las celdas cilíndricas 18650 (18 mm de diámetro, 65 mm de altura) ofrecen un voltaje nominal de alrededor de 3.6 voltios y una capacidad de 2000 a 3500 miliamperios-hora. Las celdas prismáticas y de bolsa permiten mayores capacidades y un mejor contacto térmico en los paquetes. Un paquete de baterías de vehículos eléctricos de 50 a 100 kilovatios-hora contiene miles de celdas individuales configuradas en series y cadenas paralelas, con cableado elaborado, fusibles y electrónica de gestión.

El nombre refleja el material activo clave: los compuestos de litio metálico se mueven entre los electrodos durante la carga y descarga, un mecanismo descubierto en la década de 1980 y comercializado en la década de 1990 por Sony y otros. Las baterías más antiguas de níquel-cadmio y níquel-hidruro metálico carecían de esta velocidad y tolerancia al ciclo. Hoy en día, el Li-ion domina porque ninguna química competidora ofrece la combinación de densidad de energía, vida útil, margen de seguridad y escala de fabricación a un costo comparable.