Cómo funcionan las baterías de ion de litio: una solución para el futuro de la energía

Los **dispositivos portátiles de suministro de energía** se han convertido en el salvavidas del mundo tecnológico moderno, especialmente la batería de iones de litio. Imagina un mundo donde todos los coches son impulsados por motores de inducción en lugar de motores de combustión interna. Los motores de inducción son mucho mejores que los motores de combustión interna en prácticamente todos los aspectos de ingeniería, además de ser más robustos y más baratos. Otra gran desventaja de los motores de combustión interna es que solo producen un par utilizable en un rango estrecho de revoluciones del motor. Teniendo en cuenta todos estos factores, los motores de inducción son definitivamente la elección perfecta para un automóvil. Sin embargo, el suministro de energía para un motor de inducción es el verdadero cuello de botella para lograr una revolución importante en el motor de inducción en la industria automotriz.

Veamos cómo Tesla, con la ayuda de las celdas de iones de litio, solucionó este problema y por qué las celdas de iones de litio van a mejorar aún más en el futuro. Saquemos una celda de Tesla del paquete de batería y desglosemos sus capas. Podemos ver diferentes capas de compuestos químicos en su interior. La batería de iones de litio de Tesla funciona según un concepto interesante asociado con los metales llamado «potencial electroquímico». El potencial electroquímico es la tendencia de un metal a perder electrones. De hecho, la primera celda desarrollada por Alessandro Volta hace más de 200 años se basó en el concepto de potencial electroquímico. Una serie electroquímica general se muestra aquí, según estos valores, el litio tiene la mayor tendencia a perder electrones y el flúor tiene la menor tendencia a perder electrones. Volta tomó dos metales con diferentes potenciales electroquímicos, en este caso, zinc y plata, y creó un flujo externo de electricidad.

Sony fabricó el primer modelo comercial de una batería de iones de litio en 1991 y se basó nuevamente en el mismo concepto de potencial electroquímico. El litio, que tiene la mayor tendencia a perder electrones, se utilizó en las celdas de iones de litio. El litio solo tiene un electrón en su capa exterior y siempre quiere perder este electrón. Por esta razón, el litio puro es un metal altamente reactivo, incluso reacciona con el agua y el aire. El truco de la operación de una batería de iones de litio es el hecho de que el litio en su forma pura es un metal reactivo, pero cuando el litio forma parte de un óxido metálico, es bastante estable.

Supongamos que de alguna manera hemos separado un átomo de litio de este óxido metálico. Este átomo de litio es altamente inestable y formará instantáneamente un ion de litio y un electrón. Sin embargo, el litio como parte de un óxido metálico es mucho más estable que este estado. Si puedes proporcionar dos caminos diferentes para el flujo de electrones e iones de litio entre el litio y el óxido metálico, el átomo de litio alcanzará automáticamente la parte del óxido metálico. Durante este proceso, hemos producido electricidad a partir del flujo de electrones a través del único camino.

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A partir de estas discusiones, queda claro que podemos producir electricidad a partir de este metal de óxido de litio si primero separamos los átomos de litio del metal de óxido de litio y, en segundo lugar, guiamos los electrones perdidos desde tales átomos de litio a través de un circuito externo. Veamos cómo las celdas de iones de litio logran estos dos objetivos.

Una celda de iones de litio práctica también utiliza un electrolito y grafito. El grafito tiene una estructura de capas que están débilmente unidas para que los iones de litio separados se puedan almacenar fácilmente allí. El electrolito entre el grafito y el óxido metálico actúa como una barrera que solo permite el paso de iones de litio. Ahora veamos qué sucede cuando conectas una fuente de energía a esta disposición. El lado positivo de la fuente de energía atraerá y eliminará los electrones de los átomos de litio del óxido metálico. Estos electrones fluyen a través del circuito externo, ya que no pueden fluir a través del electrolito, y alcanzan la capa de grafito. Mientras tanto, los iones de litio con carga positiva serán atraídos hacia el terminal negativo y fluirán a través del electrolito. Los iones de litio también alcanzan el espacio de la capa de grafito y quedan atrapados allí. Una vez que todos los átomos de litio alcanzan la lámina de grafito, la celda está completamente cargada.

Así que hemos logrado el primer objetivo, que es separar los iones de litio y los electrones del óxido metálico. Como discutimos, este es un estado inestable, como estar encaramado en la cima de una colina. Tan pronto como se elimina la fuente de energía y se conecta una carga, los iones de litio quieren volver a su estado estable como parte del óxido metálico. Debido a esta tendencia, los iones de litio se mueven a través del electrolito y los electrones a través de la carga, como si estuvieran deslizándose por una colina. Por lo tanto, obtenemos una corriente eléctrica a través de la carga. Ten en cuenta que el grafito no tiene un papel en la reacción química de las celdas de iones de litio. El grafito es solo un medio de almacenamiento para los iones de litio.

Si la temperatura interna de la celda aumenta debido a alguna condición anormal, el electrolito líquido se secará y habrá un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo, lo que puede provocar un incendio o una explosión. Para evitar esta situación, se coloca una capa aislante llamada separador entre los electrodos. El separador es permeable para los iones de litio debido a su microporosidad. En una celda práctica, el grafito y el óxido metálico se recubren sobre folios de cobre y aluminio. Los folios actúan como colectores de corriente y los terminales positivo y negativo se pueden sacar fácilmente de los colectores de corriente. Una sal orgánica de litio actúa como electrolito y se recubre en la lámina del separador. Los tres elementos se enrollan en el cilindro alrededor de un núcleo central de acero, lo que hace que la celda sea más compacta. Una celda de Tesla estándar tiene un voltaje de entre 3 y 4.2 voltios. Muchas celdas de Tesla se conectan en serie y en paralelo para formar un módulo. 16 de estos módulos se conectan en serie para formar un paquete de baterías en el automóvil de Tesla.

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Las celdas de iones de litio generan mucho calor durante su funcionamiento y una alta temperatura degrada el rendimiento de la celda. Se utiliza un sistema de gestión de baterías para controlar el estado de temperatura, nivel de carga, protección de voltaje y monitoreo de salud de las celdas. En el paquete de baterías de Tesla se utiliza tecnología de enfriamiento a base de glicol. El sistema de gestión de baterías se ajusta a la velocidad de flujo del glicol para mantener la temperatura óptima de la batería. La protección de voltaje es otro trabajo crucial del sistema de gestión de baterías. Por ejemplo, en estas tres celdas durante la carga, la celda de mayor capacidad se cargará más que el resto. Para resolver este problema, el sistema de gestión de baterías utiliza algo llamado equilibrado de celdas. En el equilibrado de celdas, todas las celdas se les permite cargarse y descargarse por igual, protegiéndolas así de sobre y subvoltaje. Aquí es donde Tesla supera la tecnología de baterías de Nissan. El Nissan Leaf tiene un gran problema de enfriamiento de la batería debido al gran tamaño de sus celdas y la ausencia de un método de enfriamiento activo. El diseño de múltiples células pequeñas tiene otra ventaja. Durante situaciones de alta demanda de energía, la carga se dividirá equitativamente entre cada una de las células en lugar de muchas células pequeñas. Si hubiéramos utilizado una célula gigante única, habría estado sometida a mucha tensión y eventualmente sufriría un desgaste prematuro. Al utilizar muchas celdas cilíndricas pequeñas, cuya tecnología de fabricación ya está bien establecida, Tesla claramente tomó una decisión ganadora.

Hay un fenómeno mágico que ocurre dentro de las celdas de iones de litio durante su primera carga que evita su muerte repentina. Veamos qué es. Los electrones en la capa de grafito son un gran problema. El electrolito se degradará si los electrones entran en contacto con él. Sin embargo, los electrones nunca entran en contacto con el electrolito debido a un descubrimiento accidental: la interfaz de electrolito sólido. Cuando cargas la celda por primera vez, como se explicó anteriormente, los iones de litio se mueven a través del electrolito. Aquí, en este viaje, las moléculas de solvente en el electrolito cubren los iones de litio cuando llegan al grafito. Los iones de litio junto con las moléculas de solvente reaccionan con el grafito y forman una capa allí llamada capa SEI. La formación de esta capa SEI es una bendición disfrazada. Evita cualquier contacto directo entre los electrones y el electrolito, lo que salva al electrolito de la degradación. En este proceso general de formación de la capa SEI, se consume el cinco por ciento del litio. El 95 por ciento restante del litio contribuye al funcionamiento principal de la batería. Aunque la capa SEI fue un descubrimiento accidental, con más de dos décadas de investigación y desarrollo, los científicos han optimizado el grosor y la química de la capa SEI para obtener el máximo rendimiento de la celda. Es sorprendente descubrir que los dispositivos electrónicos que usamos hace unos veinte años no usaban baterías de iones de litio. Con una velocidad de crecimiento asombrosa, se espera que el mercado de las baterías de iones de litio se convierta en una industria anual de 90 mil millones de dólares en pocos años. El número actualmente logrado de ciclos de carga y descarga de una batería de iones de litio es de alrededor de tres mil. Los grandes cerebros de todo el mundo están haciendo todo lo posible para aumentar esto a diez mil ciclos. Esto significa que no tendrías que preocuparte por reemplazar la batería de tu coche durante veinticinco años. Ya se han invertido millones de dólares en investigaciones para reemplazar el medio de almacenamiento grafito por silicio. Si esto tiene éxito, la densidad de energía de la celda de iones de litio aumentará más de cinco veces. Esperamos que este contenido te haya proporcionado una comprensión conceptual clara sobre las celdas de iones de litio y su futuro. Si deseas obtener más información sobre las celdas de iones de litio utilizadas en los teléfonos móviles, consulta el contenido realizado por Branch Education y no olvides apoyarnos en Patreon.com. ¡Gracias!

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Autor

  • Manuel Mascus

    Soy un ingeniero y periodista con una amplia experiencia en ambos campos, y aquí, en mi sitio web, encontrarás una variedad de artículos y análisis rigurosos que buscan fomentar la comprensión y el entusiasmo por estas disciplinas.

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