Baterias ion-litio
La batería de iones de litio, también denominada batería Li-Ion, es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito una sal de litio que consigue los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.
Las propiedades de las baterías de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, junto con el poco efecto memoria que sufren6 o su capacidad para funcionar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido diseñar acumuladores ligeros, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados a las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo.7 Desde la primera comercialización de un acumulador basado en la tecnología Li-ion a principios de los años 1990, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música.
Sin embargo, su rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso explosión, requieren, en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de su uso a otras aplicaciones.
Estimación de vida de una batería de ion-litio
Durante el congreso anual de la sociedad americana de química (ACS, que incluye prestigiosas publicaciones de las que muy a menudo os informamos, como JACS, Nano Letters o Chemical Reviews) el especialista en baterías Mikaël Cugnet dio una charla sobre la degradación de las baterías de ion-litio usadas en vehículos eléctricos.
La cifra dada durante esta conferencia fue muy amplia, entre 5 y 20 años, siempre dependiendo de varios factores, los enemigos de la batería. La estimación dada está basada en unos estudios publicados en 2011, donde se estudiaba la resistencia del cátodo con un ánodo de grafito de referencia.
Afortunadamente y aunque no sea algo evidente, la composición del cátodo no ha dejado de mejorar en los últimos años, siempre buscando un mejor rendimiento y una mayor durabilidad. Simples variaciones en los materiales usados o en las proporciones del compuesto tienen notables repercusión en la fiabilidad de las baterías y explica las diferentes capacidades que podemos encontrar en el mercado.
Enemigos de la batería
Sabido es que las temperaturas elevadas y las recargas rápidas son los puntos más perjudiciales para las baterías. Según Cugnet "una temperatura por encima de 30 grados afecta inmediatamente las condiciones del pack de baterías y puede ser permanente si dura muchos meses". Es preocupante un umbral de declive tan bajo, pero es acorde con los problemas que tuvieron los Nissan Leaf en Estados Unidos.
A esto añadió que una batería totalmente cargada es más vulnerable, como explicaremos más adelante, y que este problema se suma al de las temperaturas por encima de los 30 grados, haciendo evidente la importancia de una buena refrigeración para el pack de baterías.
¿Qué es una batería muerta?
Se considera que una batería está en buenas condiciones mientras mantenga el 80% de su capacidad original. Por lo tanto, cuando se habla de estimación de vida de la batería no se refiere a un fallo completo de la batería sino a una caída de la capacidad de esta, pudiendo seguir usándola durante más tiempo, pero teniendo en cuenta que hemos perdido un 20% de autonomía.
Pero la carga no es el único indicador del estado de la batería, la potencia también puede verse afectada. Esto no suele ser un problema en aparatos electrónicos, como móviles u ordenadores, que requieren una potencia muy baja, pero podría serlo para un motor eléctrico dando lugar a un resultado parecido al de los motores térmicos, que con el tiempo parece que "la cuadra" ha perdido unos cuantos miembros y el coche no acelera con la misma fuerza.
Garantías y precios
A día de hoy no hay datos claros sobre los precios reales
de las baterías ni de cuánto podría costar su sustitución.
Aún así es de esperar que el precio de las baterías pueda seguir bajando en los próximos años, en los que aparecerán nuevos materiales e incluso nuevas generaciones con alternativas al litio.
La próxima entrada de "Vida y muerte de una batería de ion-litio" tratará de la pérdida de potencia y capacidad a nivel químico, de cómo una batería se degrada y del óxido de litio, dejando para la última entrada los fallos graves de las baterías de ion-litio y como cuidarlas.
Fallo total de una batería
Hemos vistos varios problemas que puede sufrir una batería de ion-litio y que afectan su rendimiento. Hay uno más que lleva a la muerte de ésta y que no está relacionado con las reacciones químicas si no con la estructura del material que forma el cátodo.
En las baterías de ion-litio, donde el cátodo está formado por un compuesto de litio, en ocasiones un metal y un oxido, los átomos se organizan formando una estructura perfectamente organizada, un cristal. Durante la carga los átomos de litio abandonan esta estructura para alojarse en el ánodo. En un caso ideal, después de la descarga los átomos de litio volverán a disponerse en la misma posición en el cristal del cátodo en la que estaban originalmente.
Pero no siempre es así, y al cambiar la posición de los átomos de litio en el cristal poco a poco se forman defectos y cambios estructurales, es decir, se forma una nueva estructura cristalina con diferentes propiedades electroquímicas que degradan el rendimiento de la batería.
Este problema es propio de baterías sometidas a fuertes cargas y descarga, lo que serían cargas rápidas y fuertes acelerones en los que se exprime al máximo la potencia de la batería, por lo que no se espera que ocurra en vehículos híbridos y que en eléctricos dependerá de los ajustes del fabricante.
¿Pueden las baterías de litio incendiarse?
Son muy conocidos los casos de los Boeing 787 y, . El suministrador de las baterías para el fabricante era la empresa Yuasa que utiliza baterías de ion-litio con cátodo de LiCoO2.
El litio puede depositarse en el grafito del ánodo en forma de óxido de litio. Este depósito, que como hemos visto ocurre más durante las cargas rápidas y a temperaturas altas, forma estructuras cristalinas ramificadas llamadas dendritas.
Las dendritas pueden crecer hasta el punto de atravesar el separador y hacer contacto con el cátodo. Se produce un cortocircuito. Esto acabaría definitivamente con la batería, pero el cortocircuito no es suficiente para generar un incendio.
De hecho uno de las pruebas de seguridad a las que se somete las baterías es el test de penetración, en el que una aguja atraviesa la batería para generar un corto y ver si se forma una llama o no.
El problema es que las dendritas también se calientan al transferir la corriente que se genera en la batería y este calor induce reacciones paralelas acelerando la formación de óxido de litio y por lo tanto de las propias dendritas. Si cuando se produce el corto la batería está sometida a una corriente alta o a un voltaje alto se puede llegar a generar un incendio. En el caso de los Boeing el fallo de unas celdas hizo que otras trabajasen a un voltaje excesivo y se produjese el incendio.
¿Sufren "efecto memoria" las baterías de ion-litio?
Si, lo hemos visto hace unos días. El efecto memoria se produce cuando los tiempos entre la carga y la descarga son muy cortos.
La explicación es un cambio brusco de potencial químico, algo así como las ganas que tiene una partícula de moverse o de reaccionar, de los elementos del cátodo cuando la batería está semi-cargada. El cambio de potencial ocurre de forma abrupta y divide las partículas del material del cátodo en dos grupos, unas que ganan potencial y otras que lo pierden, lo cual hace que no todas "trabajen" al mismo ritmo.
Esto se ve reflejado en un ligero cambio del voltaje de la batería, que supone que parte de la capacidad de la batería se desaproveche. En cualquier caso el efecto es muy bajo, variando el voltaje tan solo unos pocas partes por mil.
El cuidado de las baterías
para evitar reacciones secundarias en las celdas cuando están completamente cargadas o descargadas, hay que procurar descargar la batria al máximo, aunque no hay por qué volverse paranoico con este punto, ya que los fabricantes protegen las baterías guardando un porcentaje del máximo de carga (SOC) y de descarga (DOD), sí que es conveniente no dejar la batria cargada sin utilizarr, a fin de cuentas es el mismo cuidado que se recomienda para proteger los plásticos y las tapicerías.
La segunda vida de las baterías
Cuando una batería ha perdido más del 20% de su capacidad puede no ser interesante para un coche eléctrico, pero ese 80% restante es aun bien válido para otros propósitos. El 80% de una batería de un Leaf son casi 20 kWh, que es el consumo diario medio de un apartamento en España.
En el futuro estará más en las manos de los fabricantes el asegurar que las baterías sean longevas, seguras y no requieran en absoluto de mantenimiento, mejorando la calidad de los electrodos e instalando sistemas de refrigeración eficientes y autónomos, algo que tendremos que considerar a la hora de elegir un modelo u otro.
Recomendaciones
- No recargar la bateria a media carga.
- Dejar que se descargue completamente.
-Completar la recarga al 100%.