batería de iones de litio

Una batería de iones de litio es una celda electroquímica recargable en la que los iones de litio se mueven entre un electrodo negativo (ánodo) y un electrodo positivo (cátodo) a través de un electrolito, liberando o absorbiendo energía eléctrica a medida que viajan. A diferencia de las baterías primarias, estas celdas pueden cargarse y descargarse cientos o miles de veces antes de que la degradación sea severa. El ánodo es típicamente grafito, el cátodo es un óxido de metal de litio (comúnmente fosfato de hierro y litio, LiCoO2 o variantes de NCA), y el electrolito es un solvente orgánico que transporta sales de litio disueltas.

Las aplicaciones industriales dependen en gran medida de la química y el formato de la celda. Las celdas cilíndricas (tamaños 18650, 21700) se empaquetan en baterías de herramientas y sistemas de energía de respaldo. Las celdas prismáticas con factores de forma planos son adecuadas para computadoras portátiles y almacenamiento estacionario. Las celdas tipo bolsa ofrecen ahorro de peso para vehículos eléctricos y aplicaciones aeroespaciales. La densidad de energía oscila entre aproximadamente 150 Wh/kg para la química de fosfato de hierro y 250 Wh/kg para las mezclas de níquel-cobalto. El rendimiento a la temperatura, la vida útil y el costo varían drásticamente: las celdas LFP cuestan menos y toleran el frío y el abuso de carga, mientras que las químicas NCA y NCM ofrecen mayor energía pero exigen gestión térmica y perfiles de carga cuidadosos.

Modos de falla y realidad en el campo

La fuga térmica, una reacción exotérmica incontrolada, ocurre cuando la resistencia interna causa calor, el separador (una película microporosa) se derrite, los electrodos se tocan internamente y la temperatura se acelera más allá de los 200 grados Celsius. Esto sucede a través de cortocircuitos externos, sobrecarga más allá del límite de voltaje de la celda (típicamente 4.2 a 4.3 voltios), perforación mecánica o defectos de fabricación. Una vez iniciada, la fuga térmica no se puede detener; la celda ventila gas electrolítico inflamable y calor. Los sistemas de gestión de batería (BMS) monitorean el voltaje y la temperatura de la celda para prevenir estos estados, pero ningún sistema detecta todas las fallas.

La degradación por ciclo y la degradación por calendario reducen la capacidad con el tiempo. La degradación por ciclo resulta de cambios estructurales en los materiales del electrodo y del crecimiento de películas resistivas (interfase de electrolito sólido, o SEI) en el ánodo cada vez que los iones de litio se extraen y se reinsertan. La degradación por calendario ocurre incluso en el estante: las reacciones químicas parasitarias continúan lentamente, especialmente a temperaturas elevadas o con un alto estado de carga. Los equipos industriales desplegados en climas cálidos o que se mantienen cargados 24/7 sufren una pérdida acelerada de capacidad utilizable.

El término "iones de litio" distingue estas celdas de las baterías primarias de litio metálico más antiguas (no recargables, que contienen litio metálico real) y de otras químicas recargables como el hidruro metálico de níquel o el plomo-ácido. El énfasis en los iones refleja la electroquímica: no hay litio metálico a granel presente durante el funcionamiento normal; en cambio, los cationes de Li+ en solución y fases sólidas transportan la carga. Este diseño elimina el crecimiento de dendritas que plagó los primeros intentos de recargables de litio metálico y hace que las celdas sean más seguras de manejar, aunque no están exentas de riesgos. El costo, la densidad de energía y la capacidad de fabricarse en muchos formatos han convertido al ion de litio en el tipo de batería recargable dominante en equipos industriales y de consumo desde principios de la década de 2000.