Probablemente los hayas visto en tu computadora portátil. Están en tu teléfono. Alimenta las PDA y los reproductores multimedia que llevamos. La razón por la que estos dispositivos existen en su forma actual es simple. Las baterías de iones de litio ofrecen una gran cantidad de energía en relación con su peso. También es una de las opciones recargables más potentes del mercado.
Pero probablemente hayas oído historias de terror. Las baterías de iones de litio pueden incendiarse. Esto es poco común, ya que aproximadamente dos o tres paquetes de un millón experimentan esta falla. Pero cuando fracasa, las consecuencias son violentas. Las tasas de fallas pueden dispararse, provocando retiros globales y costando a los fabricantes millones de dólares.
Entonces, ¿por qué son tan populares? ¿Por qué se incendia? ¿Qué podemos hacer realmente para prevenirlo o hacer que dure? Estamos analizando la ciencia y la seguridad.
Beneficios de la densidad energética
La tecnología de iones de litio es popular porque supera a la química tradicional en casi todos los parámetros importantes para los consumidores.
Primero está el peso. Una batería típica de iones de litio puede almacenar 150 vatios-hora de energía en sólo un kilogramo. En comparación con otros tipos comunes, la diferencia es enorme. Las baterías de NiMH (hidruro metálico de níquel) pueden almacenar 100 vatios hora por kilogramo, pero son más comunes entre 60 y 70 vatios hora. ¿Baterías de plomo-ácido? Difícil almacenar 25 vatios hora por kilo.
Para obtener la misma energía del plomo ácido, se necesita una batería de 6 kg. Esa es una diferencia de 6x. Los electrodos están hechos de litio y carbono ligeros. El litio es muy reactivo. Sus enlaces atómicos almacenan grandes cantidades de energía, lo que proporciona a las baterías de iones de litio una alta densidad energética.
Sin efecto memoria y autodescarga lenta
Dejando de lado el peso, estas baterías mantienen la carga mucho mejor que sus predecesoras. Las baterías de iones de litio sólo pierden alrededor del 5% de su carga al mes. Las baterías de NiMH pierden el 20% de su carga. Si deja los dispositivos en paz durante un mes, no comenzará desde cero.
Tampoco hay efecto memoria. No es necesario vaciarlo por completo antes de cargarlo. Esta comodidad ha cambiado la forma en que utilizamos los dispositivos electrónicos portátiles. Cargue su batería cuando queramos, no porque la batería lo demande.
Las baterías de iones de litio pueden soportar cientos de ciclos de carga y descarga sin una degradación significativa. Para el usuario medio, esto significa años de servicio fiable.
Los Defectos: Degradación y Peligro
Estas baterías no son perfectas. Tienen serias debilidades.
El deterioro comienza nada más salir de fábrica. La vida útil de las baterías de iones de litio es de 2 a 3 años a partir de la fecha de fabricación. Incluso si no lo abres, el tiempo los mata.
El calor es su enemigo. Las altas temperaturas hacen que las baterías de iones de litio se desgasten mucho más rápido de lo normal. Dejar tu teléfono en un auto caliente puede acortar su vida.
Las baterías de iones de litio fallan si están completamente descargadas. Una descarga profunda destruye los productos químicos de forma permanente.
También necesita una computadora de a bordo para controlar la unidad. Esto añade costo y complejidad. Las baterías de iones de litio requieren este sistema de gestión para evitar sobrecargas y sobredescargas. Esto las hace más caras que las baterías simples.
También existe peligro de incendio. Si la batería de iones de litio no funciona, existe una pequeña posibilidad de que se incendie. Este no es sólo un riesgo teórico. Este es un peligro conocido y los fabricantes trabajan constantemente para reducirlo.
Química interna
Para entender por qué estas baterías se comportan como lo hacen, debemos mirar dentro de ellas. La química lo determina todo, desde por qué algo es ligero hasta por qué explota. Nos sumergiremos en eso a continuación.
No encontrarás nada mágico cuando desmontes la batería de una computadora portátil. Son sólo células y circuitos. Esto no se recomienda. Un cortocircuito en las baterías de iones de litio puede provocar un incendio. Pero una vez que puedas desmontarlo con seguridad, descubrirás que su estructura interna es sorprendentemente consistente independientemente de la marca o modelo.
El núcleo consta de una batería de iones de litio. Vienen en dos formas principales. Las baterías cilíndricas parecen baterías AA de gran tamaño. Las células prismáticas son rectángulos planos. Están apilados o envueltos dentro de una carcasa de metal. Ese caparazón no es sólo un embalaje. Mantiene la presión. Cuando la presión interna aumenta demasiado debido al calor o la sobrecarga, la ventilación se abre. Libera gases. Es probable que la batería se agote después de eso. Este es un dispositivo a prueba de fallas. Evite escenarios de explosión. También hay interruptores de coeficiente de temperatura positivo (PTC). Corta la energía si las cosas se calientan demasiado.
Pero la verdadera historia es el controlador.
Cerebro en un ladrillo
Enterrada entre las celdas hay una pequeña placa base. Básicamente es un microcontrolador. Este Sistema de gestión de batería se encarga de todo.
El seguimiento y control incluye:
- Sensor de temperatura comprueba constantemente el nivel de temperatura.
- Los convertidores y reguladores de voltaje mantienen la corriente y el voltaje dentro de límites seguros.
- El conector de computadora portátil protegido permite que la energía y los datos fluyan entre la batería y la computadora portátil.
- Voltage Tap monitorea la capacidad de energía de cada batería.
- Monitor de estado de carga funciona como una mini computadora. Ajuste el proceso de descarga para maximizar la velocidad y la saturación.
Esta computadora es compleja. Funciona tomando su propia energía de la batería. Las baterías de iones de litio tienen un bajo consumo de energía y pierden alrededor del 5% de su carga por mes cuando no están en uso.
¿Por qué mi batería está vacía?
El sistema de gestión tiene reglas estrictas. Si la batería se calienta demasiado durante el uso o la carga, el controlador apagará la alimentación. Está intentando enfriarse. Es posible que hayas visto esto antes. Deje su computadora portátil en un auto caliente. Intenta encenderlo. El controlador de batería impide el arranque. Espere a que baje la temperatura.
También monitorea la salud de sus células. La unidad de batería se apaga cuando la batería está completamente vacía. La descarga profunda puede destruir las baterías de iones de litio. El controlador no le permitirá usar un paquete dañado.
También rastrea los ciclos de carga/descarga. Esta información se introduce en el medidor de batería de la computadora portátil. Así es como el sistema operativo sabe cuánta energía queda. Esto no es una suposición. Obtiene datos en tiempo real de la computadora a bordo.
La caja metálica es muy importante.
La carcasa suele ser metálica. Esto no es arbitrario. Las baterías de iones de litio funcionan bajo presión. Las cajas metálicas pueden soportar esta presión. También protege los componentes electrónicos internos.
El orificio de ventilación es fundamental. Es sensible a la presión. Si la batería se sobrecalienta hasta el punto de una posible explosión, el exceso de gas se libera a través de las rejillas de ventilación. Esta es una calle de un sólo sentido. Una vez que se ventila, el sello se rompe. La batería está comprometida.
El interruptor PTC funciona junto con la ventilación. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la resistencia para evitar el sobrecalentamiento. Esto restringe el flujo de corriente. Esto ahorra tiempo hasta que el sistema se enfríe o el usuario desconecte el cargador.
Estas características de seguridad son la razón por la que las baterías modernas no explotan cada vez que se cargan. Pero también significan que las baterías son más complejas que el simple almacenamiento de energía. Es el ingrediente activo. Estoy pensando en ello. Está decidido. En algunos casos, es posible que le pidan que espere.
Dentro de la celda
Retire la carcasa de metal para revelar una espiral larga. No se trata sólo de cables. Se elabora presionando tres rodajas finas y apretadas.
–Positivo
–Polo negativo
– separador
Remójalo en un solvente orgánico. El éter es muy común aquí. El disolvente hace el trabajo pesado como electrolito.
Los separadores son héroes anónimos. Esta es una lámina de plástico microporoso. Delgada como papel de seda. Su trabajo es simple pero estricto. Evita que los terminales positivos y negativos se toquen. El contacto provoca un cortocircuito. Sin embargo, permite el paso de los iones. Estos poros son lo suficientemente pequeños como para evitar el contacto físico, pero lo suficientemente abiertos como para permitir que el litio nade.
La composición química interna es específica. Como electrodo positivo se utiliza óxido de litio y cobalto (LiCoO2). ¿Electrodo negativo? Sólo carbono.
El saldo cambia durante la carga. Los iones de litio salen del LiCoO2. Pasan a través de electrolitos. Aterrizan en el carbono.
La descarga invierte el flujo. Los iones regresan del carbono a LiCoO2.
Este es un bucle simple. Sin embargo, si cometes un error, tu teléfono se quemará.
Las reacciones químicas dentro de una batería de iones de litio son un juego de alto voltaje. Cada celda individual produce 3,7 voltios. Este número es importante porque es más del doble de los 1,5 voltios de una batería alcalina AA estándar. Puedes comprarlos en cualquier supermercado. Un voltaje más alto significa que es necesario conectar menos baterías en serie para alimentar el dispositivo. Menos celdas significa menos espacio físico. Esta eficiencia hace que los teléfonos inteligentes sean muy delgados y livianos. Esto no es magia. Simplemente aumenta la densidad de energía.
Ventajas del voltaje en la tecnología portátil
Si alguna vez has comparado un viejo y tosco teléfono plegable con una hoja de vidrio moderna, la diferencia está en su composición química. Las pilas alcalinas son grandes. Se necesitan varias unidades para lograr los voltajes requeridos para circuitos complejos. Las baterías de iones de litio pueden realizar la misma función en una fracción del tamaño. Este compacto es la razón principal por la que tenemos dispositivos de bolsillo. Pero también hay compromisos. Una alta densidad de energía también significa que se libera mucha energía si algo sale mal. Pronto llegaremos a la parte de la explosión. Primero, descubramos cómo hacer que dure más.
Prolongar la duración de la batería
Queremos alargar la vida útil de las baterías de iones de litio. Nadie quiere cargar con un ladrillo que se desmoronará antes del mediodía. El objetivo es prolongar la vida útil de las baterías de iones de litio sin complicar innecesariamente las tareas diarias. Este químico es sensible al calor y a las condiciones extremas de carga.
–Evitar descargas completas. ** Dejar que tu teléfono se apague por completo puede sobrecargar los electrolitos.
– No te quedes al 100% para siempre. ** El voltaje máximo acelera la degradación.
-** Mantenlo fresco. ** El calor es tu enemigo. No deje el dispositivo en un coche caliente.
La mayoría de fabricantes recomiendan mantener la carga entre el 20% y el 80% para el uso diario. Eso no significa que sea perfecto. Esto reduce la tensión sobre los componentes internos. No se necesitan aplicaciones especiales para gestionarlo. Retírelo únicamente cuando la batería esté casi llena. No drene a cero.
¿Por qué explotan las baterías de iones de litio?
Probablemente hayas oído la historia. El teléfono está en llamas. Los ordenadores portátiles estallan en llamas. Suena a ciencia ficción. Pero este es un gran riesgo para la química de los iones de litio. ¿Por qué explota?
La respuesta está en los electrolitos. Inflamable. La fuga térmica ocurre cuando fallan las estructuras internas. El calor se acumula. El calor produce más calor. El separador entre el ánodo y el cátodo se funde. Los dos lados se tocan. Se ha producido un cortocircuito. Los electrolitos inflamables pueden encenderse.
Esto no sucede a menudo. Los dispositivos modernos tienen circuitos de seguridad que cortan la energía antes de que se calienten demasiado. Pero cuando la seguridad se ve comprometida, las consecuencias son violentas. La presión dentro de la caja cerrada aumenta. Finalmente, el caparazón se resquebraja. Se produce ventilación. Puede ocurrir ignición.
Hemos explorado cómo el alto voltaje puede hacer que estas baterías sean compactas y eficientes. Hemos analizado cómo alargar su vida útil. Ya hemos hablado de los peligros de la fuga térmica. La tecnología es poderosa. También es inestable. Existe un delicado equilibrio entre rendimiento y seguridad. Usamos estos dispositivos todos los días. Confías en que no quemarán tu casa. En la mayoría de los casos, esta confianza está justificada. Pero la química subyacente sigue siendo fuerte.
Maximiza la vida útil y la seguridad de la batería
Las baterías de iones de litio son caras. Si desea que su producto dure más tiempo bajo garantía, debe cambiar la forma en que lo maneja. A la química no le gustan las descargas profundas. Prefiere un ciclo de vaciado parcial. No reduzca el voltaje a cero. Provoca daño permanente a las células. No tiene “efecto memoria”, por lo que una carga anticipada no dañará la batería. Manténgase alejado del fondo absoluto.
El envejecimiento es inevitable. Estos paquetes duran de dos a tres años. No recojas pilas pensando que te durarán cinco años, aunque nunca las hayas enchufado. No. A la hora de comprar repuestos, comprueba la fecha de fabricación. Dejarlo en el estante aunque sea por un año acortará su vida.
El calor es tu enemigo. Las altas temperaturas pueden degradar rápidamente el rendimiento de los componentes internos. Mantenga su dispositivo fresco.
¿Por qué explotan las baterías de iones de litio?
Sabemos cuánto duran. Ahora consideremos por qué a veces fallan catastróficamente.
Un incendio comienza cuando la temperatura interna aumenta y el electrolito se enciende. Los videos virales de computadoras portátiles humeantes lo demuestran, lo que demuestra la gravedad del problema. El informe “Summer of Laptop Explosions” de la Canadian Broadcasting Corporation (CBC) describe varios incidentes de este tipo.
Estos incendios suelen ser causados por cortocircuitos internos. Dentro de una batería de iones de litio, un separador separa los electrodos positivo y negativo. Si ese separador se pincha, los electrodos se tocarán. Como resultado, se calienta rápidamente. Probablemente hayas visto que esto sucede cuando tienes una batería de 9 voltios en tu bolsillo. Si cortocircuitas los terminales con una moneda, etc., se genera una cantidad considerable de calor.
En las baterías de iones de litio, este cortocircuito se produce internamente. La cantidad de energía liberada es enorme. El calor ventila el disolvente orgánico utilizado como electrolito. Una chispa o el calor ambiental pueden provocar un incendio. Si una batería se incendia, la cascada térmica puede extenderse a otras partes de la batería. Toda la unidad sube.
Los incendios son raros. Aún así, algunos incidentes y algunas noticias fueron suficientes para desencadenar un retiro importante.
Preguntas frecuentes sobre la tecnología de iones de litio
¿Cuánto dura una batería de iones de litio?
Puede soportar cientos de ciclos de carga. En realidad, la vida útil esperada es de 2 a 3 años antes de que la capacidad se deteriore significativamente.
¿Qué es exactamente una batería de iones de litio?
Batería recargable en portátiles y teléfonos móviles. Cuando los iones de litio pasan del electrodo negativo a través del electrolito al electrodo positivo, se genera electricidad.
¿Cuánto cuestan las baterías de iones de litio?
BloombergNEF informa que el coste medio en 2020 fue de 137 dólares por kilovatio hora. Las baterías de los teléfonos inteligentes cuestan entre 2 y 4 dólares. Los paquetes de baterías para vehículos eléctricos cuestan entre 7.000 y 20.000 dólares. Los precios han caído alrededor del 88% en los últimos 10 años y seguirán cayendo.
¿Cuáles son las principales desventajas?
A veces puede incendiarse. La tasa de fracaso es muy baja, alrededor de dos a tres paquetes por millón. Es muy sensible al calor, lo que acelera su deterioro. El envejecimiento comienza nada más salir de fábrica. El tiempo no utilizado no detiene el reloj.
¿Existe mejor tecnología de batería?
Todavía no. Actualmente, no existe ninguna otra tecnología de baterías que pueda competir con la tecnología de iones de litio. Se consigue una mayor densidad energética. Soporta múltiples ciclos. Se carga más rápido. Y en muchos casos son más seguros de usar que las alternativas.
