En el anterior post publicado en este blog, describí el principal problema que tienen las baterías ordinarias: la imposibilidad de ser recargadas. En este describiré qué son y cómo funcionan las baterías recargables, centrándome en las más populares hoy en día, las denominadas de iones de litio (en lo que sigue, ion-litio).
La siguiente imagen muestra la batería de ion-litio de un vehículo eléctrico Tesla Model S (fuente de la imagen: Jeffrey Jenkins, Electric Vehicles Magazine, 22-mayo-2017):
Chasis del Tesla Model S, con su batería de ion-litio, las pilas que la integran están distribuidas por el suelo del vehículo.
Células de baterías recargables: conceptos esenciales
Aunque pueden adoptar diversas geometrías, en numerosas ocasiones su aspecto es prácticamente idéntico al de las pilas cilíndricas convencionales AA o pueden tener formas prismáticas, lo que significa que son cuadradas o rectangulares. Antes de pasar a describir el interior de las pilas de ion-litio, voy a dar unos breves detalles de cómo son las baterías recargables.
Todas las baterías recargables, igual que las convencionales, tienen una carcasa metálica que encierra y protege a sus elementos constitutivos. Ese recubrimiento contiene en su interior una espiral muy larga que está integrada por hojas delgadas muy próximas entre sí, constituidas por cuatro elementos, comunes en disposición, aunque no en composición a los de cualquier otra batería, como ya vimos en el primer post de esta serie:
- Un electrodo positivo, denominado cátodo.
- Un electrodo negativo, el ánodo.
- Un disolvente químico, llamado electrolito, entre ellos.
- Y un separador.
En las baterías que no utilizan iones de litio, estos electrodos están hechos de una diversidad de compuestos químicos:
- Plomo-ácido: con dos electrodos de plomo (sulfuro de plomo o PbSO4) y electrolito de ácido sulfúrico (SO4H2). Son muy baratas y fáciles de fabricar, pero contaminantes, pesadas y con baja densidad de energía (30 Wh/kg). Se utilizan desde hace muchos años, principalmente en automoción y en sistemas fotovoltaicos.
- Ni-Fe: tienen electrodos de acero niquelado y un electrolito liquido de hidróxido de potasio (KOH) disuelto en agua. Sus ventajas son similares a las de plomo-ácido, pero no contienen metales pesados, su vida es más prolongada y el electrolito se puede reciclar y destinar al sector agrícola. Su densidad de energía también es baja, del orden de 40 Wh/kg.
- Ni-Cd: el cátodo es de hidróxido de níquel, el ánodo de cadmio y el electrolito de KOH. Su densidad de energía sigue siendo baja, unos 50 Wh/kg.
- Ni-MH: El ánodo es de hidróxido de níquel y el cátodo de una aleación de hidruro metálico. Su densidad de energía es algo más elevada, 80 Wh/kg.
Como se puede apreciar, un rasgo común a casi todas ellas es la presencia en su interior de elementos pesados, que en la mayoría de las ocasiones son tóxicos, algo especialmente crítico en el caso del plomo o el cadmio.
Celdas o pilas de baterías de ión-litio
Como en el caso de las pilas descritas en el punto anterior, las de ion-litio tienen un recubrimiento exterior de metal, que ahora es particularmente importante porque la pila está presurizada. Esta caja de metal tiene un orificio de ventilación sensible a la presión. Si la pila se calienta tanto que corre el riesgo de explotar debido a una sobrepresión, esta ventilación se encarga de liberar la presión generada en el interior de la pila. El respiradero está colocado como medida de seguridad. También dispone un dispositivo que evita sobrecalentamientos.
En las pilas de ion-litio, el cátodo generalmente está hecho de un compuesto químico llamado óxido de litio-cobalto (iCoO2) o, en pilas más recientes, de fosfato de litio y hierro (LiFePO4), para evitar utilizar cobalto, un elemento químico caro y escaso. El ánodo generalmente está hecho de grafito, una variedad cristalográfica del carbono. Dentro de la caja, el ánodo y el cátodo se sumergen en un disolvente orgánico (el éter es un solvente común) que actúa como electrolito, dentro del cual se coloca el separador. El separador es una lámina muy delgada de plástico microperforado. Como su nombre indica, separa los electrodos positivo y negativo, evitando cortocircuitos entre ambos; además permite que los iones pasen a través de sus microporos.
Una primera diferencia entre las baterías ion-litio y las convencionales, es su mayor densidad energética, del orden de 120 Wh/kg.
Utilidad de las baterías de ion-litio
Para su utilización en baterías, las celdas-pilas se agrupan entre sí con múltiples unidades para proporcionar la energía necesaria que permite el funcionamiento desde un teléfono móvil hasta un vehículo de gran autonomía, como se muestra en la siguiente imagen (fuente: Jessica Shankleman, Tom Biesheuvel, Joe Ryan y Dave Merrill. Bloomberg Businessweek, 7-septiembre-2017):
En el siguiente post de esta serie, describiré cómo tienen lugar los procesos de carga y descarga de las pilas de ion-litio.
Doctor en Física Ignacio Mártil:
Muy interesante; gracias por la información, muy útil; estoy igualmente a sus órdenes. Me sirvió para un asunto de datos para mi oficina. Felicitaciones.