Cómo funciona una batería de litio y cuál es su estructura

Las baterías de iones de litio se componen de varias celdas individuales. Gracias a su estructura especial y a sus materiales, ofrecen un alto rendimiento y su capacidad se mantiene constante durante largos periodos de funcionamiento. También es posible cargarlas parcialmente y en cualquier momento, por lo que pueden utilizarse durante varios turnos. Descubra en nuestra guía cómo se producen las baterías de iones de litio, qué metales contienen y cómo funcionan.

Pequeña gran potencia: componentes de las baterías de litio

Una batería de iones de litio se compone de muchas celdas individuales que presentan siempre la misma estructura y contienen los siguientes componentes:

• Electrodo positivo: el cátodo de la batería de litio está formado por óxido metálico de litio, que puede contener cantidades variables de níquel, manganeso y cobalto. Los óxidos metálicos también se conocen bajo el nombre de metales de transición.
• Electrodo negativo: el ánodo suele ser de grafito.
• Electrolito: para que los iones de litio se muevan como portadores de carga en la célula, se incluye también un electrolito anhidro. Aquí, sales como el hexafluorofosfato de litio se disuelven en un disolvente aprótico como el carbonato de dietilo. En las baterías de polímero de litio, se utiliza en este punto un polímero de fluoruro de polivinilideno o hexafluoropropeno de fluoruro de polivinilideno.
• Separador: para evitar los cortocircuitos, se instala entre los electrodos un separador de materiales no tejidos o películas de polímero. El separador es permeable a los iones de litio y puede absorberlos en grandes cantidades.

El separador: funcionamiento seguro de las baterías de litio

El separador integrado en las baterías de iones de litio controla y asegura las reacciones electroquímicas dentro de ellas. Por un lado, aísla los dos electrodos entre sí para que no se produzcan cortocircuitos internos. Por otro, su diseño permeable garantiza que solo los iones de litio puedan pasar y, por tanto, moverse entre los electrodos negativo y positivo. Asimismo, el separador garantiza el intercambio de gases en las celdas cerradas de estas baterías.

Para ello, el componente debe estar formado por membranas microporosas, que pueden variar en función de la potencia y el tamaño de la batería. Con este propósito, se utilizan películas poliméricas (como en las baterías de polímero de litio) o separadores cerámicos resistentes al calor. La combinación de telas no tejidas con un revestimiento cerámico hace que los separadores sean especialmente flexibles y, a la vez, resistentes a temperaturas de hasta 700° C.

Sistema de gestión de la batería: optimización de funciones

Si se combinan varias celdas para formar un módulo, este suele contener un sistema de control integrado. El componente eléctrico más importante es el sistema de gestión de la batería (BMS). Consta de varias partes: la OBS (one board sense) y la SCU (stack control unit), que se encuentran en el módulo, y la BCU (battery control unit), que combina toda la información de los módulos individuales. En conjunto, el BMS actúa como interfaz entre el dispositivo y la batería. Además, optimiza su capacidad, energía y rendimiento, evita la descarga profunda incluso cuando la batería de litio permanece almacenada durante un largo periodo de tiempo y, por tanto, prolonga su vida útil.

Una construcción con metales de alto valor

El nombre que reciben estas baterías proviene, en parte, de su peculiar diseño, pues permiten que el litio vaya y venga entre los electrodos en forma ionizada. En función de los materiales empleados para los electrodos, las baterías de iones de litio se dividen en diferentes grupos. El modo de funcionamiento sigue siendo el mismo, pero tanto la densidad energética, el voltaje de la célula, la sensibilidad a la temperatura y la capacidad, así como la corriente de carga y descarga permitida pueden variar debido al uso de diferentes iones de metales de transición. Las baterías de litio pueden construirse como:

• Baterías de polímero de litio: el electrolito utilizado es una película a base de polímeros que tiene una consistencia similar a la de un gel. Esta estructura permite fabricar las baterías con un tamaño especialmente reducido (menos de 0,1 mm de grosor) y con distintos diseños. Con una densidad de energía de hasta 180 Wh/kg, son muy potentes, pero mecánica, eléctrica y térmicamente sensibles.
• Baterías de dióxido de cobalto y litio: el electrodo positivo de este tipo de baterías está formado por dióxido de cobalto y litio; el ánodo es de grafito. Las baterías de este tipo son propensas al desbordamiento térmico cuando se sobrecargan.
• Baterías de titanato de litio: en este caso, los electrodos negativos no son de grafito, sino de espinela de titanio sinterizado. Esto permite una rápida capacidad de carga, así como el funcionamiento a temperaturas de hasta -40° C. Los electrodos positivos son también de óxido de litio y titanio.
• Baterías de fosfato de hierro y litio: las celdas de este tipo de batería tienen un cátodo de fosfato de hierro y litio. Además, el electrolito se presenta en ellas en forma sólida. Las baterías de este tipo tienen una densidad de energía inferior (hasta 110 Wh/kg) pero, en caso de daños mecánicos, no son propensas al desbordamiento térmico. La curva de tensión de descarga indica que estas baterías presentan un efecto memoria, aunque este es muy bajo en comparación con las baterías de NiCd.

Funcionamiento de las baterías de litio: carga y descarga

El funcionamiento de las baterías de litio sigue un principio sencillo: la energía eléctrica es almacenada mediante un proceso químico y se aprovecha para la propulsión de dispositivos de recogida como, por ejemplo, las apiladoras eléctricas. Este se basa, en gran medida, en el movimiento constante del litio ionizado entre los electrodos. El flujo de iones de litio equilibra el flujo de corriente externa al cargar y descargar las baterías, de modo que los propios electrodos permanecen eléctricamente neutros:

1.       Descarga

Si la batería se descarga, es decir, si un dispositivo terminal consume la energía almacenada, los átomos de litio del electrodo negativo emiten un electrón cada uno. Este electrón se devuelve al electrodo positivo a través del circuito externo. En el mismo paso, el mismo número de iones de litio se mueven desde el electrodo negativo a través del electrolito y el separador hasta el electrodo positivo. En él se recogen los electrones por medio de los llamados iones de metales de transición fuertemente ionizados que pueden ser diferentes según el tipo de batería y que, a diferencia de los iones de litio, no son móviles.

2.       Carga

Al cargar las pilas del acumulador, los átomos de litio no ionizados se desplazan desde el electrodo positivo hasta el electrodo negativo a través del separador, entrelazándose con moléculas de grafito. Este proceso también se conoce como intercalación y se desencadena cargando con corriente constante hasta que se llega a la corriente nominal. Cuando se alcanza la tensión de fin de carga, ésta se mantiene mientras la corriente de carga disminuye. Para evitar que las celdas se dañen o se sobrecalienten (pista térmica), la mayoría de las baterías de iones de litio están equipadas con una carga o protección electrónica. Se adaptan al diseño respectivo de las celdas y garantizan que no se produzcan ni sobrecargas ni descargas profundas.

Preguntas frecuentes sobre el funcionamiento y estructura de las baterías de litio

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