Hoy en día existen diferentes tipos de baterías según la aplicación para la cual se utilizarán. Estas imágenes muestran las aplicaciones populares para cada tipo de tecnología de batería y es claro por este gráfico que las baterías de iones de litio, inventadas en el año 1991, son las más populares con más del 35% de participación en el almacenamiento de energía. En este artículo vamos a ver por qué las baterías de iones de litio seguirán dominando y en el futuro incluso podrían eclipsar a las tecnologías de gasolina mediante la comprensión de los avances tecnológicos que están ocurriendo en esta área.
Vamos a tomar una celda de iones de litio utilizada en una cámara DSLR y explorar sus partes internas. Se puede ver que los electrones fluirán entre las láminas cuando conectemos una carga a través de la batería. Este flujo natural de electrones significa que los electrones se almacenaron en una condición inestable antes de que se conectara la carga. Necesitamos entender mejor este principio básico para comprender los avances tecnológicos que están ocurriendo en las baterías de iones de litio.
Aquí, los electrones inestables se almacenan en un tipo de contenedor llamado grafito con un alto potencial electroquímico, y antes de almacenar los electrones, deben separarse de la estructura atómica de un elemento. Hay un metal llamado litio que tiene una alta tendencia a perder electrones de su capa externa y debido a esto, el litio es muy reactivo por naturaleza. Sin embargo, como parte de un óxido metálico, los átomos de litio son muy estables.
Utilicemos una fuente de alimentación externa; el lado positivo de la fuente de alimentación atrae a los electrones. También utilizamos un electrolito que bloquea cualquier flujo de electrones a través de él, por lo que en cambio fluyen a través del circuito externo y quedan atrapados entre las capas de grafito. De manera similar, el lado negativo de la fuente de alimentación atrae a los iones de litio y también quedan atrapados en las capas de grafito. Finalmente, los iones de litio se almacenan con un mayor potencial electroquímico. Tan pronto como retiramos la fuente de alimentación y la conectamos a una carga, todos los electrones en el grafito fluirán a través de la carga y, por lo tanto, podemos obtener electricidad de esto.
Características de las baterías de iones de litio
Hay tres características importantes para una fuente de energía: bajo costo, alta densidad de energía y mayor vida útil. Vamos a explorar cómo se desempeña la celda de iones de litio en estos tres aspectos y cuáles son las tendencias futuras.
Costo
El costo de capital requerido para establecer una tecnología basada en baterías de iones de litio es mucho más alto que sus contrapartes. Sin embargo, al comparar el costo de funcionamiento de los automóviles eléctricos con los automóviles de gasolina, los automóviles eléctricos funcionan a un tercio del precio de los automóviles de gasolina. La principal razón del alto costo de capital es la presencia de níquel y cobalto en el compuesto de óxido metálico, y los fabricantes de baterías utilizan estos dos metales en mayor cantidad que el litio. Por esta razón, el costo de una batería de iones de litio es casi seis veces el de una de ácido de plomo y tres veces el de una de hidruro metálico de níquel. Sin embargo, la buena noticia es que el costo por kilovatio hora de la tecnología de baterías de iones de litio ha estado disminuyendo a un ritmo rápido en los últimos años, por lo que en el futuro podría superar la barrera del costo de capital.
Densidad de energía
Las baterías de iones de litio proporcionan una densidad de energía mucho mayor que cualquier otra tecnología de batería, pero son muy inferiores a la densidad de energía de la gasolina. La parte más crucial que afecta la densidad de energía es el medio de almacenamiento de iones de litio y electrones. En una celda de Tesla, el medio de almacenamiento es grafito. Los científicos están ahora intentando una tecnología revolucionaria reemplazando el grafito con silicio como medio de almacenamiento. Con esta técnica, es posible multiplicar la densidad de energía por casi 4.4 veces. Sin embargo, el silicio causa un nivel inaceptable de expansión y compresión de volumen en cada ciclo. Para aprovechar la alta densidad de energía del silicio, pero para evitar sus efectos negativos, algunos fabricantes han comenzado a usar un 5% de silicio mezclado con el grafito.
Vida útil
Las baterías de iones de litio de los antiguos portátiles solían durar solo un año, pero ahora están dando fácilmente entre tres y cuatro años de vida. ¿Cómo mueren las baterías de iones de litio? Para comprender cómo los investigadores han logrado mejorar la longevidad de las baterías de iones de litio y por qué continúan mejorándolas, necesitamos entender el mecanismo de la muerte de una batería de iones de litio.
Generalmente, una batería de iones de litio falla después de unos años, incluso si no la utilizas. Esta pérdida de capacidad no es abrupta, de hecho, el proceso es no electroactivo, lo que significa que no requiere flujo de electricidad. Según la operación discutida anteriormente, cuando los iones de litio fluyen a través del electrolito, están cubiertos por una capa llamada molécula solvente. Durante la primera carga, los iones de litio junto con las moléculas solventes reaccionan con el grafito y forman una capa SEI. La capa SEI es una bendición disfrazada porque permite que los iones de litio pasen a través de ella, ayudando a evitar el contacto directo entre los electrones y el electrolito, salvando así al electrolito de la degradación.
Supongamos que después de cargar la celda de iones de litio durante algún tiempo, quitamos la fuente de alimentación. Ahora la celda de iones de litio es un circuito abierto. Aunque la capa SEI trata de evitar que los electrones entren, una pequeña cantidad de electrones en el grafito aún pueden atravesarla debido a algunas porciones porosas de la capa SEI. Las moléculas solventes presentes en el electrolito pueden ingresar fácilmente a través de ella. La molécula solvente reacciona y forma nuevamente una capa SEI. Aquí podemos observar que la capa SEI se vuelve más gruesa que antes y al mismo tiempo se consume el electrolito. Es interesante notar que el proceso de degradación de la batería de iones de litio es un proceso muy lento cuando hay un circuito abierto. Este proceso de muerte de la celda de iones de litio que discutimos anteriormente se acelerará muchas veces durante una operación real. Esto se debe a que los movimientos de los iones de litio traen más moléculas solventes, acelerando el espesamiento de la capa SEI. Este proceso consume iones de litio activos y electrolito, y por eso la vida de la batería se acorta significativamente dependiendo del número de ciclos.
Desde esta discusión se puede ver que la capa SEI tiene un doble papel en el rendimiento de la batería. Por un lado, protege al electrolito de la degradación y apoya el funcionamiento principal de la batería, mientras que, por otro lado, consume iones de litio y electrolito que son necesarios para el funcionamiento de la celda, lo que lleva a la muerte de la batería. Sin embargo, la longevidad de la batería puede ser escalada hasta un cierto límite con la ayuda de un aditivo electrolítico. Este aditivo es como una salsa secreta en una receta que ralentiza el proceso de degradación y ayuda a mejorar la vida de la batería. Actualmente, las baterías de Tesla duran alrededor de tres mil ciclos o alrededor de siete años, y los investigadores están haciendo todo lo posible para extender esto a diez mil ciclos, equivalente a veinticinco años de vida útil de la batería.
El mecanismo de degradación de la batería de iones de litio es un aspecto crítico que los investigadores y fabricantes están abordando con tecnologías emergentes para mejorar la longevidad y eficiencia de estas baterías.
Hoy en día, casi todos los dispositivos electrónicos de valor utilizan baterías de iones de litio, pero es interesante destacar que hay ligeras variaciones en la composición química de los óxidos metálicos utilizados. Esto se debe a que factores como el costo, los ciclos de vida y la densidad de energía varían según el tipo de aplicación. Las discusiones hasta ahora han explicado claramente cómo las baterías de iones de litio están mejorando en términos de densidad de energía y longevidad. Una innovación reciente en la tecnología de baterías de iones de litio ha dado un gran impulso a la seguridad de estas baterías. Esta tecnología utiliza un electrolito acuoso con intercalación de halógenos. Con esta técnica, la adición del halógeno ayudante al lado del óxido metálico aumenta la movilidad de los iones de litio. Como el electrolito es del tipo sal y agua, puede resolver los problemas de inflamabilidad y también aumentar la movilidad de los iones de litio.
La industria automotriz será la que decida el futuro de las baterías de iones de litio. Para lograr una mayor adopción en la industria automotriz, las baterías de iones de litio deben ser más competitivas en cuanto a costo, vida útil y energía. Una nueva tecnología llamada batería de litio-aire ha demostrado una densidad de energía equivalente a la de la gasolina en condiciones de laboratorio. Con las continuas mejoras en los tres aspectos, las baterías de iones de litio sin duda pueden convertirse en la fuente de energía del futuro de la industria automotriz. Esperamos que este artículo te haya dado una comprensión clara sobre el futuro de las baterías de iones de litio. ¡Gracias!
