Tecnología ion-litio: historia y estructura

En 1912 Lewis realizó el primer diseño de una batería de litio, pero no fue hasta 1970 que se empezaron a comercializar las baterías no recargables. Diez años más tarde, en 1980 se hicieron pruebas con los primeros modelos de baterías de litio recargables y se incorporaron nuevos mecanismos y materiales (como la inserción de litio en grafito), aunque éstas nunca se llegaron a desarrollar. Posteriormente, se empezaron a investigar las baterías de litio basadas en iones de litio y, recién en 1991, la empresa Sony comercializó por primera vez la batería de Li-Ion recargable y, desde ese momento, muchos otros fabricantes empezaron a producirlas también.

Actualmente, cada vez existen más dispositivos en el mercado que contienen batería Li-Ion. En un primer momento esta tecnología solamente se utilizaba en aplicaciones pequeñas como teléfonos móviles, ordenadores portátiles o reproductores de música pero más tarde, y gracias a su compacta forma, las baterías de iones de litio se empezaron a aplicar en la industria automovilística, en la intralogística, en usos militares e, incluso, en satélites espaciales. De esta forma, su alto rendimiento y fiabilidad permiten que esta tecnología se pueda aplicar en sectores y aplicaciones muy diversas.

 

Estructura y funcionamiento

Las celdas de las baterías de ion litio están compuestas, de la misma forma que las baterías de ácido plomo, por 4 componentes básicos: ánodo, cátodo, electrolito y separador. En el interior de una batería de ion-litio se encuentran dos compuestos de intercalación que actúan como electrodos y que están sumergidos en el electrolito. El material del ánodo (Litio-Carbono) es común en todas las baterías de litio, pero el material del cátodo de las baterías difiere según la tipología de batería de la que se trate. En el caso de las baterías Ion-Litio, el material del cátodo es óxido de litio (Li2O).

Los cuatro componentes son los encargados de producir electricidad mediante reacciones electroquímicas. El ánodo y el cátodo (electrodos) permiten la inserción y desinserción de iones de Litio (Li+) de forma que, durante la carga, los iones de litio fluyen desde el cátodo hasta el ánodo, donde se produce la reducción y la inserción de los iones. Y durante la descarga se produce la reacción contraria, en el ánodo se da la oxidación y se produce la desinserción de iones de litio, que fluyen por el electrolito, se insertan en el cátodo y originan la reducción en éste (liberando, de esta forma, energía eléctrica). Así pues, el principio de funcionamiento de las baterías de litio es sencillo, ya que conforme la batería se carga o se descarga, los iones de litio se mueven de un lugar a otro.

Por otra parte, las baterías de Ion-Litio se pueden clasificar en diferentes tipos según la sustancia química que contengan. Como se ha explicado anteriormente, las primeras baterías de ion-Litio fueron comercializadas por la marca Sony, que utilizó el óxido de cobalto liticio (LiCoO2) y carbón-Li como materiales de los electrodos. Actualmente se pueden encontrar baterías de Ion-Litio con electrodos de diversos materiales como, por ejemplo, Litio-Cobalto (LiCoO2), Litio-Manganeso (LiMn2 O2) o Litio-Hierro-Fosfato (LiFePO2), siendo éste último una sustancia química muy estable y, por tanto, segura.

Esquema ion litio 2

Gráfico 1. Esquema de una batería de Ion-Litio.

Las baterías de litio deben tener un circuito de protección BMS (Battery Management System) que permita supervisar el rendimiento de las celdas y asegurar su correcto funcionamiento para prevenir la sobrecarga, sobre-descarga o exceso de consumo de las celdas. El BMS monitoriza diversos datos como el voltaje, la temperatura, el estado de carga (SOC), el estado de la salud (SOH) y la corriente de entrada o salida de la batería, de forma que el circuito de protección puede controlar las células individuales de manera electrónica. Además, una conexión de la batería con la controladora de la carretilla permite optimizar todo el sistema, de forma que en las frenadas y disminuciones de velocidad, la energía se remite de manera muy eficiente dentro de la batería. Así pues, se puede aprovechar la energía del frenado para cargar la batería, tal y como se muestra en el siguiente gráfico:

Energía frenadoGráfico 2. Flujos energéticos de la batería de iones de litio.

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