Introducción a las Baterías de Ion de Litio
Las baterías de ion de litio, conocidas como baterías Li-ion, son un tipo de batería recargable. En estas células, los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo a través de un electrolito durante la descarga y viceversa durante la carga. Los materiales del cátodo, generalmente compuestos de litio intercalado, definen el tipo de la celda de Li-ion, mientras que el ánodo suele ser de grafito litiaado poroso. El electrolito puede ser líquido, polímero o sólido, y el separador, poroso, facilita el transporte de iones de litio y previene cortocircuitos y la fuga térmica.
Tipos y Usos de las Baterías de Ion de Litio
Existen varios tipos de baterías de ion de litio, cada una con características específicas en cuanto a química, rendimiento, costo y seguridad. Las baterías de polímero de litio, utilizadas en electrónica portátil, tienen un electrolito de gel polimérico, cátodo de óxido de cobalto de litio (LiCoO2) y ánodo de grafito. Estas baterías se destacan por su alta densidad energética, ausencia de efecto memoria y baja autodescarga. Un ejemplo común es la celda 18650, empleada en baterías de ordenadores portátiles, herramientas eléctricas inalámbricas, algunos vehículos eléctricos, patinetes eléctricos, bicicletas eléctricas, bancos de energía portátiles y linternas LED. Su voltaje nominal es de 3.7 V. Es importante diferenciarlas de las baterías primarias de litio no recargables, como las pilas botón CR2032 3V.
Degradación de las Baterías de Ion de Litio por Ciclado
La degradación de las baterías recargables ocurre en cada ciclo de carga y descarga. Esto se debe generalmente al desplazamiento del electrolito de los electrodos o a la pérdida de material activo de estos. Los fabricantes utilizan el término «vida útil del ciclo» para referirse a la duración de la batería en términos del número de ciclos hasta alcanzar el 80% de la capacidad nominal. Es crucial seguir las recomendaciones del fabricante para evitar riesgos o una degradación prematura de la capacidad.
En las baterías de ion de litio, la degradación y la pérdida de capacidad se atribuyen principalmente al crecimiento de la interfaz de electrolito sólido (SEI). Esta interfaz se forma por reacciones entre los electrodos y el electrolito, creando una película que impide la reacción de los iones de litio con los electrodos. A medida que esta película se engrosa, la célula se degrada.
Factores de Estrés y su Impacto en la Degradación
En situaciones de vida real, las celdas de Li-ion experimentan una degradación acelerada debido a ciertos factores de estrés. Factores como descargas profundas (DOD), tasas elevadas de carga/descarga (C-rate), temperaturas altas o bajas y operación a altos estados de carga (SOC) pueden impactar negativamente en la capacidad de la célula y causar una degradación acelerada.
- Temperatura: La degradación depende fuertemente de la temperatura; es mínima a temperatura ambiente, pero aumenta en ambientes muy calientes o fríos. Las baterías generan calor al cargarse o descargarse, especialmente a corrientes altas. Las altas temperaturas durante la carga pueden llevar a una degradación de la batería, y cargar a temperaturas superiores a 45 °C degrada el rendimiento.
- C-rate elevado: Las altas C-rates generan más calor y aumentan la temperatura de la celda, activando mecanismos de degradación por alta temperatura.
- DOD: La vida útil de las baterías de ion de litio depende fuertemente del DOD. La pérdida de iones de litio y material del electrodo es mayor en ciclos de DOD más grandes. A DODs altos, pueden ocurrir mecanismos adicionales de degradación, resultando en la descomposición y disolución del material del cátodo y la pérdida de capacidad.
