Li-ion, la energía del día a día

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pilas de ion litio - triplenlace.com

Jordi Casals Tomás >

Actualmente, una de las peores pesadillas para un fan de las nuevas tecnologías es quedarse sin carga en la batería de sus dispositivos móviles cuando está fuera de casa. Cuántas veces habremos presenciado ese pequeño ataque de pánico al ver como el teléfono móvil o tableta se apaga y aparta a su usuario del mundo virtual. Cada vez usamos aparatos más sofisticados que requieren una fuente de energía más potente pero, ¿qué tipo de batería es suficientemente pequeña y eficaz para permitir un uso continuo de nuestros dispositivos móviles sin necesidad de mantenerlos constantemente conectados a la red eléctrica?

La proeza tecnológica, o más bien proeza química, que permite este uso es una reacción redox espontánea, una reacción electroquímica reversible que se da en las baterías o pilas con la función de generar electricidad. En el caso actual, la batería usada por excelencia en nuestra vida diaria, ya sea con nuestros smartphones, tabletas, ordenadores portátiles,… es la batería de litio.

Baterías níquel-cadmio y níquel-hidrógeno

El tipo de pilas o baterías usadas para dispositivos electrónicos domésticos pueden estar formados por elementos primarios o secundarios; en las que usan elementos primarios se dan reacciones químicas no reversibles, por lo que es difícil volver a recargarlas, en cambio, las que usan elementos secundarios permiten una serie de cargas y descargas, llamados ciclos, ya que se tratan de reacciones químicas reversibles. Una mayor transferencia de electrones en las reacciones redox determina una mayor capacidad de almacenaje en la batería y cuánto más reversible sea dicha reacción, más larga es su vida útil.

Hasta hace no mucho, el tipo de batería más usada en estos dispositivos era una combinación de níquel y cadmio como elementos secundarios, llamada NiCd, que actuaban como acumuladores permitiendo cargar y descargarse durante un largo periodo de ciclos. En este caso, el hidróxido de cadmio, Cd(OH)2, actúa como electrodo negativo y el hidróxido de níquel, Ni(OH)2, actúa como electrodo positivo, en un electrolito de hidróxido de potasio e hidróxido de litio, produciéndose la siguiente reacción transfiriendo iones hidróxido de un electrodo a otro:

2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 ⇌  Cd° + 2H2O + 2NiOOH


[1] Estructura de una batería

Cuidada debidamente permite una carga rápida y una gran cantidad de ciclos completos, entre unos 1000 y 1500, con una carga de unos 1,35 voltios/celda y una descarga de 1,2 voltios/celda aproximadamente. A parte, para beneficios del fabricante, su costo económico es bajo y puede ser fabricado en cualquier tamaño. Sin embargo, no todo son ventajas, puesto que el cadmio es un metal muy tóxico y muy contaminante, pudiendo provocar fallos renales y cáncer, debe ser reciclado adecuadamente. Además, este tipo de baterías pueden padecer el odiado efecto memoria al no dejar que se carguen y descarguen por completo: este efecto reduce la vida útil de la batería y produce que sólo se carguen las celas que se habían cargado la vez anterior, limitando el porcentaje de carga útil.

Otra clase de baterías familiares a las NiCd son las formadas por níquel hidruro metálico, Ni-MH, no tan usadas para este tipo de productos electrónicos. En este caso el oxihidróxido de níquel, NiOOH, actúa como electrodo positivo y una aleación de hidruro metálico, MH, como electrodo negativo en un electrolito de hidróxido de potasio:

MH + NiOOH ⇌ M + Ni(OH)2

[2] Batería de Ni-MH, marca Panasonic

En comparación las baterías NiCd, las Ni-MH cuentan con una mayor capacidad de carga, un 30-40% superior, mucho más rápida y con una vida útil larga. Tiene menos predisposición al efecto memoria y es menos contaminante, ya que no contiene cadmio. Sin embargo, tiene un coste más elevado y dispone de unos ciclos más limitados, unos 500, ya que su descarga es un 10% – 20 % mayor que en el otro tipo de batería. Se pueden usar aditivos químicos para limitar este efecto pero se reduce la capacidad de carga. A parte, la reacción redox es más exotérmica, liberando mayor cantidad de energía en forma de calor y debe controlarse la sobrecarga puesto que no es beneficiosa para su buen rendimiento.

Litio iónico, máxima energía en mínimo espacio

Hoy en día, la batería por excelencia usada por casi todos es de Litio iónico, llamadas Li-ion. Aunque su uso comercial se inició por la década de los 90 en otros sectores, no fue hasta finales de la década pasada que se generalizó su explotación como batería estrella para casi todos los aparatos electrónicos domésticos, como smartphones, tabletas, videocámaras, ordenadores portátiles…

Ion Lithium[3] Carga / Descarga de batería Li-ion

El principal éxito en su utilización reside en su alto voltaje por cela, de 3,7 voltios aproximado, con un peso menor y un rendimiento del 80% – 90%, es capaz de proporcionar una mayor energía que el otro tipo de baterías. Estas características las hacen óptimas para usarlas en todo tipo formas y espacio reducidos. Están compuestas en su mayoría por óxido de cobalto y litio en el polo positivo, siendo el litio un elemento muy radiactivo con mucha energía contenida en sus enlaces, y carbón grafito en el polo negativo, en un electrolito de sal de litio, flúor y fósforo. Aunque existen diferentes variaciones en el mercado dependiendo de cada fabricante, pero siempre bien selladas puesto que la reacción no se da en contacto con el agua.

Con una durabilidad de unos 400 – 1500 ciclos, tienen un ratio de descarga en almacenaje del 5%, la mitad que las baterías de NiCd. Una de las mayores ventajas que poseen es que no sufren el efecto memoria que sus antecesoras padecen, puesto que todas las celas se pueden cargar y descargar por completo desde su primer uso, aunque se recomienda mantener la batería con una carga superior al 15%. Un uso mínimo de la batería, así como una carga/descarga completa por mes ayudan a mantener la capacidad de los electrones para pasar de un polo a otro. Y es recomendable dejar un 50% de carga cuando se quiera almacenar la batería por un tiempo.

Ion Lithium

[4] Estructura de batería Li-ion

Aunque no todo son ventajas, puesto que sufren una degradación química en un periodo de tiempo corto, al contrario que las baterías NiCd, haciéndolas inútiles entre 1 y 3 años, tanto si se usan como si no. Suelen llevar un chip que controla y regula la carga/descarga, evitando así la sobrecarga, pero eso hace que su precio aumente. Además, no toleran bien las altas temperaturas, 40 – 50ºC, pudiendo llegar a explotar aunque se trate de un hecho poco frecuente, ni tampoco las bajas temperaturas, 0 -15ºC, pues su efectividad se ve reducida. A parte, el Litio no es muy abundante en el planeta, por lo que se debería buscar una alternativa igual de eficaz o mejor y que sí se encuentre en abundancia.

La siguiente tabla resume y compara las principales características de los tres tipos de baterías usadas en nuestros dispositivos electrónicos domésticos. Aunque se trata de una tabla muy sintetizada, permite al lector hacerse una idea de qué propiedades motivan el uso de las baterías Li-ion hoy en día:

 

TABLA COMPARATIVA BATERÍAS
Parámetro NiCd NiMH Li-ion
Resistencia interna Baja Muy baja Muy baja
Vida útil Larga Larga Media
Ciclos 1500 ciclos 500 ciclos 1000 ciclos
Peso Pesada Ligera Muy ligera
Resistencia mecánica Buena Muy buena Muy buena
Densidad de energía volumétrica 50 Wh/kg 55 Wh/kg 100 – 265 Wh/kg
Autodescarga a 20ºC 15 – 20% por mes 20 – 30% por mes 5% por mes
Eficiencia carga/descarga 70 – 90% 66% 80 – 90%
Coste Económico Alto Muy alto
Residuos Muy tóxicos Normales Normales
Efecto memoria No

El mercado de las tecnologías domésticas está siempre en avance continuo, los consumidores son cada vez más exigentes, sobre todo en la calidad de las baterías; se demanda principalmente más potencia, una carga más rápida, así como una descarga más lenta y una vida útil mucho más larga. No es de extrañar que los fabricantes de smartphones, tabletas, y demás familia tecnológica tengan un ojo puesto en el futuro, pensando en cómo mejorar e incluso sustituir las baterías de Li-ion por otras mucho más eficientes. Tan sólo cabe esperar un poco y ver qué es lo que el futuro tecnológico nos depara.

Bibliografía:

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