Características de las Baterías de Iones de Litio
Las baterías de iones de litio, conocidas también como baterías Li-ion, son un tipo de batería secundaria (recargable) compuesta por células donde los iones de litio se mueven desde el ánodo a través de un electrolito hasta el cátodo durante la descarga, y en sentido inverso durante la carga.
Ventajas de las Baterías de Iones de Litio
Estas baterías presentan varias ventajas específicas, siendo las más importantes su alto voltaje celular, alta densidad energética y la ausencia de efecto memoria. Se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluyendo baterías de computadoras portátiles, herramientas eléctricas inalámbricas, ciertos automóviles eléctricos, patinetes eléctricos, la mayoría de las bicicletas eléctricas, bancos de energía portátiles y linternas LED.
La reacción global durante la descarga es: C6Li + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2.
Composición y Tipos
El cátodo está hecho de un material compuesto (un compuesto de litio intercalado) que define el nombre de la celda de la batería Li-ion. El ánodo suele ser de grafito litizado poroso. El electrolito puede ser líquido, polímero o sólido. El separador es poroso para permitir el transporte de iones de litio y evitar el cortocircuito y la fuga térmica.
La química, el rendimiento, el costo y las características de seguridad varían entre los tipos de baterías de iones de litio. La electrónica portátil utiliza principalmente baterías de polímero de litio (con un gel polimérico como electrolito), un material de cátodo de óxido de cobalto de litio (LiCoO2) y un ánodo de grafito, que ofrecen alta densidad energética.
Parámetros Importantes de las Baterías Li-ion
Voltaje de la Celda
El voltaje de las baterías eléctricas se crea por la diferencia de potencial de los materiales que componen los electrodos positivo y negativo en la reacción electroquímica. Casi todas las baterías de iones de litio trabajan a 3.8 voltios. Para que fluya corriente desde el cargador a la batería, debe haber una diferencia de potencial. Por lo tanto, los cargadores de baterías o USB para casi todos los smartphones proporcionan un voltaje de 5V.
Voltaje de Corte
El voltaje de corte es el voltaje mínimo permitido. Este voltaje generalmente define el estado «vacío» de la batería. Las baterías Li-ion tienen un voltaje de corte superior de alrededor de 3.2 V. Su voltaje nominal está entre 3.6 a 3.8 V; su voltaje máximo de carga puede llegar a 4– 4.2 V. La batería Li-ion puede descargarse hasta 3V y menos; sin embargo, con una descarga a 3.3V (a temperatura ambiente), se utiliza aproximadamente el 92–98% de la capacidad.
Capacidad
La capacidad coulométrica es el total de Amperios-hora disponibles cuando la batería se descarga a un cierto corriente de descarga desde el 100% del SOC hasta el voltaje de corte. Las baterías de iones de litio 18650 generalmente tienen calificaciones de capacidad de 2,300 a 3,600 mAh.
Tasa C de la Batería
La tasa C se utiliza para expresar qué tan rápido se descarga o carga una batería en relación con su capacidad máxima. Tiene unidades h−1. Una tasa de 1C significa que la corriente de descarga descargará toda la batería en 1 hora. La mayoría de las baterías de iones de litio solo pueden soportar una temperatura máxima de 60°C y se recomienda cargarlas a un máximo de 45°C bajo una tasa de carga de 0.5C. La calificación C para una batería 18650 es generalmente 1C, lo que significa que podemos consumir un máximo de 2.85A de la batería.
Autodescarga
Las baterías se autodescargan gradualmente incluso si no están conectadas y entregando corriente. Esto se debe a reacciones químicas «secundarias» no productoras de corriente que ocurren dentro de la celda incluso cuando no se aplica carga. Las baterías recargables de iones de litio tienen una tasa de autodescarga que los fabricantes suelen afirmar que es del 1.5–2% por mes. La tasa aumenta con la temperatura y el estado de carga.
Degradación
Se produce cierta degradación de las baterías recargables en cada ciclo de carga y descarga. La degradación suele ocurrir porque el electrolito migra lejos de los electrodos o porque el material activo se desprende de los electrodos. La mayoría de las baterías de iones de litio 18650 modernas, comunes en las baterías de computadoras portátiles, tienen un ciclo de vida típico de 300 – 500 (ciclos de carga y descarga). Las baterías LFP ofrecen una vida útil del ciclo que varía de 2,700 a más de 10,000 ciclos dependiendo de las condiciones.
Profundidad de Descarga
La profundidad de descarga es una medida de cuánta energía se ha extraído de una batería y se expresa como un porcentaje de la capacidad total. Por ejemplo, una batería de 100 Ah de la cual se han extraído 40 Ah ha experimentado un 40% de profundidad de descarga (DOD). Para las baterías de iones de litio, la vida útil del ciclo de una celda depende fuertemente del DOD. La pérdida de iones de litio y material de electrodo activo es mayor para ciclos de DOD más grandes. En DODs altos, pueden ocurrir mecanismos de degradación adicionales, lo que resulta en la descomposición y disolución del material del cátodo y la disminución de la capacidad.
