¿Qué es una pila de litio?

La batería de litio se ha convertido en un componente esencial de los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energías renovables. Además, la batería de litio desempeña un papel fundamental en la alimentación de estas tecnologías. Por lo tanto, debemos comprender los diferentes aspectos de las baterías de litio. Entre ellos, sus tipos, características de tensión, proceso de producción, tecnología avanzada y amplias aplicaciones. Es crucial comprender su importancia en el mundo actual. Este artículo profundiza en ello.

Tipo de pila de litioy

He aquí seis tipos de pilas de litio:

1. Batería de iones de litio (Li-ion): Las baterías de iones de litio son el tipo más común de baterías de litio. Son famosas por su alta densidad energética, larga vida cíclica y baja tasa de autodescarga. El material del cátodo es óxido de litio y cobalto (LiCoO2). Además, durante los ciclos, las baterías de litio ayudan a la intercalación y desintercalación de iones de litio.

2. Batería de litio fosfato de hierro (LiFePO4): LiFePO4 también se conocen como baterías LFP. La gente las reconoce por su mayor seguridad, estabilidad térmica y largo ciclo de vida. El fosfato de hierro y litio (LiFePO4) constituye el material del cátodo, pero el ánodo es de carbono. La gente las utiliza en vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía renovable y aplicaciones de energía de reserva.

3. LBatería de polímero de litio (Li-Po): Las baterías Li-Po utilizan un electrolito de polímero sólido. Sustituye a un electrolito líquido. Este electrolito de polímero sólido ofrece flexibilidad en cuanto a forma y tamaño. Por tanto, permite a los fabricantes crear baterías con diversos factores de forma. Las baterías Li-PO se utilizan en teléfonos inteligentes, tabletas, ordenadores portátiles y otros dispositivos electrónicos portátiles.

4. Batería de óxido de litio y manganeso (LiMn2O4):  Se denominan baterías de litio-manganeso-espinela. Ofrecen un equilibrio entre densidad energética, seguridad y rentabilidad. Además, poseen un cátodo compuesto por óxido de litio y manganeso (LiMn2O4) y un ánodo a base de carbono. Estas baterías se utilizan en herramientas eléctricas, dispositivos médicos y electrónica de consumo.

5. Batería de litio, níquel, cobalto y óxido de aluminio (LiNiCoAlO2): conocidas como baterías NCA. La gente las reconoce por su alta densidad energética y potencia de salida. Constan de un cátodo compuesto de LiNiCoAlO2, un ánodo de carbono y un electrolito líquido. Las baterías NCA se utilizan en vehículos eléctricos. Con ellas se consiguen mayores autonomías y tiempos de carga más rápidos.

6. Batería de óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (LiNiMnCoO2): denominadas baterías NMC. Ofrece un equilibrio entre densidad energética y duración del ciclo. La construyen un cátodo compuesto por (LiNiMnCoO2) y un ánodo de carbono. Las baterías NMC encuentran aplicaciones en herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas y otros dispositivos portátiles.

¿Cuál es el voltaje de la batería de litio?

Las pilas de litio tienen diferentes características de voltaje en función de su química y configuración específicas. A continuación se indican algunos rangos de tensión habituales para distintos tipos de baterías de litio:

1. Baterías de iones de litio (Li-ion):

l Tensión nominal: La tensión nominal de una sola célula de iones de litio es de unos 3,6 a 3,7 voltios. Este valor representa la tensión media durante la mayor parte del ciclo de descarga de la batería.

l Rango de tensión de funcionamiento: Durante el funcionamiento normal, el voltaje de una célula de iones de litio puede oscilar aproximadamente entre 2,5 y 4,2 voltios. Debemos saber que el límite inferior significa un estado descargado, y el límite superior representa un estado cargado. Utilizar una pila de iones de litio fuera de este rango de tensión puede ser perjudicial para su rendimiento y seguridad.

2. Baterías de fosfato de hierro y litio (LiFePO4):

l Tensión nominal: Las baterías LiFePO4 tienen un voltaje nominal de alrededor de 3,2 a 3,3 voltios por celda.

l Rango de tensión de funcionamiento: La tensión de funcionamiento de las baterías LiFePO4 oscila entre 2,8 y 3,6 voltios. Lo mismo ocurre con las baterías de iones de litio. Si estas pilas están fuera del rango de voltaje recomendado, afectará a su rendimiento y seguridad.

3. Baterías de polímero de litio (Li-Po):

l Tensión nominal: Las baterías de polímero de litio tienen una tensión nominal de 3,7 voltios por celda. Del mismo modo, las baterías de iones de litio.

l Rango de tensión de funcionamiento: La tensión de funcionamiento suele estar entre 2,5 y 4,2 voltios. Va desde baterías de polímero de litio.

4. Baterías de titanato de litio (Li4Ti5O12):

l Tensión nominal: Las baterías Li4Ti5O12 tienen un voltaje nominal de alrededor de 2,4 a 2,5 voltios por celda.

l Rango de tensión de funcionamiento: El voltaje de funcionamiento de las baterías Li4Ti5O12 oscila entre 1,8 y 2,8 voltios.

¿Cómo fabricar una pila de litio?

El proceso de fabricación de las baterías de litio consta de varias etapas:

1. Preparación de materiales:

l Material catódico: es un óxido metálico de litio como lLiCoO2, (LiNiMnCoO2, o LiFePO4). El material catódico se compone de aditivos conductores y un aglutinante para formar una pasta.

l Material del ánodo: Suele ser grafito o un compuesto que contenga litio. Del mismo modo, titanato de litio (Li4Ti5O12). Del mismo modo, el cátodo, los aditivos conductores y un aglutinante para formar una pasta constituyen el material del ánodo.

l Electrolito: Prepare el electrolito, que es una sal de litio disuelta en un disolvente orgánico. Las sales de litio más utilizadas son el hexafluorofosfato de litio (LiPF6) o el hexafluoro arseniato de litio (LiAsF6).

l Separador: Conseguir un separador poroso hecho de un material polimérico, y luego separar el cátodo y el ánodo al tiempo que permite el flujo de iones.

2. Revestimiento del electrodo:

l Aplique la mezcla de material catódico sobre un colector de corriente, que suele estar hecho de papel de aluminio. Aplique la mezcla de material anódico sobre un colector de corriente distinto, hecho de lámina de cobre.

l Secar los electrodos recubiertos para eliminar el disolvente y crear películas sólidas de electrodos.

3. Ensamblaje de células:

l Monte la célula colocando un separador entre el cátodo y el ánodo. Enrolle o apile el cátodo, el separador y el ánodo para formar un rollo de gelatina o una configuración apilada.

l Introduzca el rollo de gelatina o el conjunto apilado en una carcasa de celda cilíndrica o de bolsa.

4. Llenado y sellado de electrolitos:

l Llene la carcasa de la célula con el electrolito preparado.

l Selle la célula para evitar fugas y garantizar la estanqueidad del aire. Este paso puede implicar soldar o engarzar la carcasa de la célula.

5. Formación de baterías y pruebas:

l Realiza un proceso de formación de la batería, que consiste en cargarla y descargarla. En condiciones controladas para estabilizar su rendimiento y capacidad.

l Realice pruebas de control de calidad. Asegúrese de que la batería cumple las normas especificadas de tensión, capacidad y seguridad.

Tecnología de pilas de litio

La tecnología de las baterías de litio engloba los distintos componentes y materiales utilizados en su construcción, así como los principios subyacentes que rigen su funcionamiento. Exploremos los aspectos clave de la tecnología de las baterías de litio:

l Ánodo: El ánodo de una pila de litio está hecho de grafito u otros materiales a base de carbono. Durante el ciclo de descarga de la batería, el ánodo libera iones de litio. Y se desplaza hacia el cátodo

l Cátodo: El material del cátodo varía en función del tipo de pila de litio. Los materiales catódicos más comunes son el óxido de cobalto y litio (LiCoO2), el fosfato de hierro y litio (LiFePO4), el óxido de manganeso y litio (LiMn2O4), el óxido de níquel, cobalto y aluminio (LiNiCoAlO2) y el óxido de níquel, manganeso y cobalto (LiNiMnCoO2). El cátodo actúa como anfitrión de los iones de litio durante el ciclo de carga de la batería.

l Separador: Un separador es una membrana porosa situada entre el ánodo y el cátodo. Evita el contacto directo y los cortocircuitos al tiempo que permite el paso de los iones de litio. El separador está hecho de un material polimérico. El material polimérico presenta una alta conductividad iónica y una baja conductividad electrónica.

l Electrolito: El electrolito sirve de medio para el transporte de iones de litio entre el ánodo y el cátodo. En la mayoría de las baterías de litio se utiliza un electrolito líquido, que consiste en una sal de litio disuelta en un disolvente orgánico. Como es sabido, el electrolito permite el movimiento de los iones de litio durante los ciclos de carga y descarga. En los últimos años, los electrolitos en estado sólido han acaparado la atención por su potencial para mejorar la seguridad y aumentar la densidad energética.

l Coleccionistas actuales: Los colectores de corriente son materiales conductores. Ayudan al flujo de corriente eléctrica entre la batería y los dispositivos externos. Están hechos de cobre o papel de aluminio y se conectan al ánodo y al cátodo, proporcionando un camino para que fluyan los electrones.

Aplicaciones de las pilas de litio

Estas son algunas de las aplicaciones más comunes de las baterías de litio:

1. Electrónica de consumo: Las baterías de litio alimentan muchos dispositivos de consumo. Entre ellos, smartphones, portátiles, tabletas, cámaras digitales, consolas de videojuegos portátiles y smartwatches. Se caracterizan por su alta densidad energética y su rendimiento duradero. Por eso son ideales para dispositivos electrónicos portátiles y compactos.

2. Vehículos eléctricos (VE):  Las baterías de litio desempeñan un papel crucial en la electrificación del transporte. Del mismo modo, los coches eléctricos, los vehículos eléctricos híbridos y los vehículos eléctricos híbridos enchufables. Las baterías de litio ofrecen una alta densidad energética. Por tanto, permiten que los vehículos eléctricos alcancen mayores autonomías y mejores prestaciones.

3. Almacenamiento de energía renovable: Se utiliza en sistemas de almacenamiento de energía. Almacena electricidad. Además, la electricidad se genera a partir de fuentes renovables, como paneles solares y turbinas eólicas. Estas baterías ayudan a equilibrar la naturaleza intermitente de la generación de energía renovable. Además, garantizan un suministro eléctrico constante y permiten aplicaciones fuera de la red.

4. Aeroespacial y Defensa: Se utiliza en aplicaciones aeroespaciales. Entre ellas, satélites, vehículos aéreos no tripulados (UAV) y naves espaciales. Sus características son un diseño ligero y una alta densidad energética. Además, son adecuados para alimentar sistemas críticos en estos entornos tan exigentes.

5. Herramientas eléctricas: Las baterías de litio han sustituido a las antiguas tecnologías de baterías en las herramientas eléctricas. Por ejemplo, en taladros, sierras y llaves de impacto inalámbricas. Proporcionan mayor densidad de potencia, mayor autonomía y menor peso. Además, ofrecen mayor comodidad y rendimiento a los usuarios profesionales y de bricolaje.

6. Productos sanitarios: Abarcan desde equipos portátiles de diagnóstico hasta dispositivos implantables. Del mismo modo, los marcapasos y desfibriladores. Ofrecen una potencia duradera, factores de forma pequeños y un rendimiento fiable. Además, garantizan un funcionamiento continuo y reducen la necesidad de sustituir las pilas con frecuencia.

Conclusión

Es importante conocerlo todo y apreciar su importancia en el mundo actual. Los continuos avances traerán soluciones de almacenamiento de energía más eficientes y seguras en el futuro. Desempeñan un papel vital para satisfacer nuestras necesidades energéticas y reducir nuestra huella de carbono. En conclusión, debemos luchar por un futuro sostenible y electrificado .