Saber cómo funciona una batería de litio es algo importante en la actualidad, ya que estas pilas han invadido todo tipo de dispositivos, desde los portátiles, hasta los dispositivos móviles, pasando por otros muchos gadgets de tecnología. Por eso vamos a dedicar este artículo a estudiar cómo funcionan.
¿Qué es una batería?
Una batería eléctrica, conocida también como pila o acumulador eléctrico, es un dispositivo compuesto por celdas electroquímicas que tienen la capacidad de convertir la energía química contenida en su interior en energía eléctrica. De esta manera, las baterías producen corriente continua y se utilizan para suministrar energía a diversos circuitos eléctricos, dependiendo de su tamaño y potencia.
Desde su invención en el siglo XIX y su posterior comercialización masiva en el siglo XX, las baterías se han integrado completamente en nuestra vida diaria. El desarrollo de las baterías ha avanzado junto con la tecnología electrónica, llegando actualmente a multitud de dispositivos como ya dije al principio.
La capacidad de carga de una batería está determinada por la naturaleza de su composición y se mide en amperios-hora (Ah) o vatios-hora (Wh), lo cual indica la cantidad de corriente que puede suministrar durante una hora continua. Cuanto mayor sea la capacidad de carga, más corriente podrá almacenar en su interior.
Las baterías constan de celdas químicas que poseen un polo positivo y otro negativo. El principio básico de una batería se basa en las reacciones de oxidación-reducción (redox) de ciertas sustancias químicas, donde una de ellas pierde electrones (se oxida), mientras que la otra los gana (se reduce). Estas sustancias pueden regresar a su estado inicial mediante la aplicación de electricidad (carga) o el cierre del circuito (descarga), siempre que se den las condiciones necesarias.
La corta vida útil de la mayoría de las baterías comerciales las convierte en un contaminante potente para el agua y el suelo. Una vez que han completado su ciclo de vida, no se pueden recargar ni reutilizar, y se desechan. Después de que su cubierta metálica se oxida, las pilas liberan su contenido químico al medio ambiente, alterando su composición y pH.
Tienen un polo positivo llamado cátodo y un polo negativo llamado anodo. Además, tienen electrolitos que permiten el flujo de corriente eléctrica hacia el exterior. Estas celdas convierten la energía química en energía eléctrica a través de un proceso reversible o irreversible, dependiendo del tipo de batería. Una vez que este proceso se completa, la batería agota su capacidad para recibir energía. Hay dos tipos de celdas que se distinguen:
- Primarias (no recargables): después de que se produce la reacción, no pueden volver a su estado original y agotan su capacidad de almacenar corriente eléctrica.
- Secundarias (recargables): pueden recibir una carga de energía eléctrica para restaurar su composición química original y pueden ser utilizadas múltiples veces antes de agotarse por completo.
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Tipos de baterías de litio
Dentro de los tipos de baterías de litio, encontramos dos fundamentales:
- Li-Ion: las baterías de iones de litio son las más comunes. Se componen de electrodos de litio intercalados con una estructura de material cristalino, usando un electrolito líquido o sólido para facilitar el movimiento de los iones de litio entre los electrodos. Suelen ser muy duraderas en cuanto a ciclos de carga y descarga.
- Li-Po: son baterías de polímero de litio. Emplean electrodos de litio y un electrolito polimérico. Esto hace que sean más seguras ante derrames del líquido y también suelen tener una mayor densidad que las Li-Ion. No obstante, pueden tener un ciclo de vida más corto en cuanto a ciclos de carga y descarga.
Ambas se pueden ver afectadas por el efecto memoria, pero en menor medida que otro tipo de baterías…
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¿Cuáles son las partes de una batería de litio?
Una batería de litio se compone principalmente de cuatro partes fundamentales:
- Cátodo (+): este espacio es donde se encuentra el litio, generalmente en forma de óxido. Esto se conoce como material activo. Al observar de cerca el cátodo, se ver una lámina delgada de aluminio que funciona como una estructura de soporte para el cátodo, recubierta con un compuesto que contiene el material activo, un aditivo conductor y un aglutinante. El material activo contiene iones de litio, el aditivo conductor se incorpora para mejorar la conductividad y el aglutinante actúa como un adhesivo, asegurando la correcta adhesión del material activo y el aditivo conductor al sustrato de aluminio. El cátodo desempeña un papel crucial en la determinación de las características de la batería, incluyendo su capacidad y voltaje, los cuales son determinados por el tipo de material activo utilizado en el cátodo. Una mayor cantidad de litio corresponde a una mayor capacidad, mientras que una mayor diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo resulta en un voltaje más alto.
- Ánodo (-): el sustrato del ánodo también está recubierto por un material activo, permitiendo que la corriente eléctrica fluya a través del circuito externo al tiempo que permite la absorción/emisión reversible de iones de litio liberados por el cátodo. Cuando la batería se está cargando, los iones de litio se almacenan en el ánodo y no en el cátodo. En este punto, cuando el conductor conecta el cátodo al ánodo (estado de descarga), los iones de litio fluyen naturalmente de regreso al cátodo a través del electrolito, y los electrones (e-) separados de los iones de litio se desplazan a lo largo del cable generando electricidad. Para el ánodo se utiliza grafito, que tiene una estructura estable, y el sustrato del ánodo se recubre con material activo, un aditivo conductor y un aglutinante. Gracias a las cualidades óptimas del grafito, como su estabilidad estructural, baja reactividad electroquímica, capacidad de almacenar una gran cantidad de iones de litio y precio, se considera que este material es adecuado para ser utilizado en el ánodo.
- Electrolito: ese conductor que cité en el punto anterior y que permite conectar cátodo y ánodo es el que se conoce como electrolito, y es fundamental para permitir el paso de electricidad en la batería. El electrolito es el componente que desempeña este papel importante. Actúa como el medio que permite el movimiento únicamente de iones de litio entre el cátodo y el ánodo. Para el electrolito, se utilizan principalmente materiales con alta conductividad iónica para que los iones de litio se desplacen fácilmente de un lado a otro. Generalmente está compuesto por sales, disolventes y aditivos. Las sales son el pasaje para que los iones de litio se muevan, los disolventes son líquidos orgánicos utilizados para disolver las sales, y los aditivos se agregan en pequeñas cantidades con propósitos específicos. Solo permite que los iones se desplacen hacia los electrodos y no permite el paso de electrones. Además, la velocidad de movimiento de los iones de litio depende del tipo de electrolito. Por lo tanto, solo se pueden utilizar electrolitos que cumplan condiciones estrictas.
- Separador: mientras que el cátodo y el ánodo determinan el rendimiento básico de una batería, el electrolito y el separador determinan la seguridad de la batería. El separador funciona como una barrera física que mantiene separados el cátodo y el ánodo, evitando el flujo directo de electrones. Sin embargo, a través de sus orificios, sí que deja pasar iones. Los separadores comercializados que tenemos hoy en día son resinas sintéticas como el polietileno (PE) y el polipropileno (PP).
Funcionamiento interno
Para comprender cómo funciona una batería de litio, vamos a separar el ciclo de descarga y el de carga de una batería de litio:
- Ciclo de descarga:
- Liberación de iones de litio: durante la descarga, los iones de litio en el ánodo se desprenden y se desplazan hacia el cátodo a través del electrolito. Esto ocurre porque los iones de litio están en un estado cargado positivamente y son atraídos por el cátodo, que tiene carga negativa.
- Flujo de electrones: a medida que los iones de litio se desplazan hacia el cátodo, los electrones liberados durante el proceso de oxidación en el ánodo fluyen a través del circuito externo para completar el flujo de corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica se utiliza para alimentar dispositivos o sistemas conectados a la batería. A medida que los iones de litio se desplazan hacia el cátodo, y se produce esta reacción electroquímica, la batería se va agotando.
- Ciclo de carga:
- Flujo de corriente inverso: al aplicar una corriente eléctrica al circuito, se invierte el flujo de electrones en la batería. En lugar de liberar electrones en el circuito externo, ahora los electrones fluyen desde el circuito hacia la batería.
- Reacciones electroquímicas de carga: durante la carga, los iones de litio que se desplazaron hacia el cátodo durante la descarga ahora se oxidan en el cátodo, liberando electrones. Los iones de litio y los electrones fluyen hacia el ánodo a través del electrolito.
- Absorción de iones de litio: a medida que los electrones fluyen hacia el ánodo, los iones de litio se absorben en el ánodo, lo que ayuda a restablecer la capacidad de carga de la batería. Este proceso de absorción de iones de litio en el ánodo se conoce como intercalación. Es decir, aumenta la carga y la posibilidad de iniciar nuevamente el ciclo inverso…
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