En los dos post anteriores de este blog he descrito las generalidades de las baterías recargables y cómo son las más ampliamente utilizadas en la actualidad, las baterías de iones de litio. En este texto prosigo con la descripción de esta clase de baterías para analizar los procesos de carga y descarga de las mismas, que son la clave de su funcionamiento.
1. Cómo se carga y descarga una batería de ion-litio.
En las baterías de ion-litio, los iones se mueven en una dirección cuando la batería se carga, es decir, cuando absorbe energía que le proporciona una fuente externa y se mueven en sentido contrario cuando la batería se descarga, que es el momento en el que la batería está suministrando energía a una determinada carga. El proceso se muestra en la imagen:
1.1 Proceso de carga
Durante la carga, que se realiza conectando la batería a una fuente de energía externa (la red eléctrica, por ejemplo), algunos iones de litio abandonan el electrodo positivo (el cátodo), que habitualmente es de óxido de cobalto y litio (LiCoO3), y fluyen hacia el electrodo negativo (el ánodo, generalmente de grafito) a través del electrolito (mostrado en el centro de la imagen en color azulado). Los electrones también fluyen desde el electrodo positivo al negativo, pero lo hacen a través del circuito externo. Cuando los iones de litio llegan al grafito, se insertan entre las capas atómicas de ese material, donde se recombinan con los electrones, quedando el litio depositado allí.
Cuando ya no fluyan más iones, la batería está completamente cargada y lista para usar. En este estado de carga, los iones de litio se almacenan entre las diferentes capas de carbono del electrodo de grafito, de manera que en su estado de carga, el ánodo es efectivamente una especie de “bocadillo” integrado por capas de carbono que se alternan con las capas de iones de litio.
En este proceso, la batería almacena energía, dado que el potencial electroquímico del grafito es más elevado que el del óxido de cobalto y litio y, por consiguiente, los iones de litio tienen que “subir”, desde el potencial al que se encuentran en el cátodo, hasta el del ánodo.
1.2 Proceso de descarga
Durante la descarga, los iones fluyen de regreso a través del electrolito desde el ánodo de grafito hacia al cátodo de óxido de cobalto y litio. Los electrones también fluyen desde el ánodo al cátodo, pero lo hacen a través del circuito exterior, alimentando un ordenador portátil, un teléfono móvil, un vehículo, etc. Esto es así dado que los iones de litio en el grafito están a un potencial electroquímico más alto del que tenían en el óxido de cobalto y litio, como ya se ha visto en el párrafo anterior, y por lo tanto “bajan” su potencial electroquímico, razón por la que ahora aportan energía al circuito al que se conecten.
Ese exceso de energía es el que ceden al circuito exterior, razón por la que cualquier dispositivo que esté conectado a la batería puede realizar su función. Cuando todos los iones de litio se han desplazado de vuelta al electrodo de óxido de cobalto y litio, la batería está completamente descargada.
Es decir, en los procesos de carga y descarga de la batería, los iones de litio se desplazan de un electrodo a otro. En ambos casos, los electrones fluyen en dirección opuesta a los iones a través del circuito externo. Los electrones no fluyen a través del electrolito, ya que este es una barrera aislante muy efectiva que impide la circulación de los electrones a través de él.
Durante el proceso de descarga, se genera una tensión entre los electrodos bastante alta, del orden de 3,5-4 voltios, que es lo que produce cada pila, debida a la diferencia de potenciales electroquímicos existente entre ánodo y cátodo ya indicada. Este valor es mucho más alto que los 1,5 voltios típicos de una pila alcalina AA normal y ayuda a que las baterías de iones de litio sean más compactas, lo que facilita su uso en dispositivos pequeños como los teléfonos móviles.
En el próximo post de esta serie, detallaré los pros y contras de estas baterías de litio.
Interesante nota
Buen día, doctor
Soy ingeniero electromecánico y quiero saber la autonomía que puede tener la batería de litio y cuál es la clasificación.
Depende mucho de cual sea el dispositivo en el que se utilice. En un móvil, puede durar entre 24 y 48 horas, con un uso habitual
Muchas gracias por la enseñanza, de corazón. Dios los bendiga siempre
Buenas tardes Doctor:
Mi consulta es respecto a los ciclos de carga de una batería de ion litio.
Entiendo que al descargarse al 100% y volver a cargarla a 100% es un ciclo de carga?
Por otra parte si consumo solo el 50% de la carga, y le cargo el otro 50% ¿ Completo otro ciclo de carga??
O bien si me queda un saldo de 50% de carga, y la recargo con 20%, esto quiere decir que me falta recargar 80% para completar un nuevo ciclo?, es decir 100% menos 20% =80%
Por favor le agradecería me ayudara con algun ejemplo,
Gracias-
Excelente!
Buenos días, Doctor
Soy Ingeniero Electromecanico; quiero agradecerle por el post sobre el funcionamiento de una batería de ion-litio. Mi comentario es sobre el TIEMPO de carga en estas baterías: entiendo que es la barrera más significativa, ya que la mayoría queremos que sea lo más bajo posible. ¿Cómo podemos trabajar en reducir ese tiempo de carga de las baterías de ion-litio?
Gracias por su aporte.
Dr., ¿Por qué se hace hincapié en que la carga inicial es como el límite de las futuras? Mi duda es: si por algún motivo yo interrumpo el proceso de la carga inicial cuando tenga 20 % ¿esa será la máxima carga en adelante durante toda su vida útil?
Hola. De hace tiempo tengo un dron; tengo una duda de por qué, cuando cargo sus baterías al 100 % después de una semana y media, veo que a las baterías les falta carga. Pero no sé si un poco. ¿Es normal o las baterías están en mal estado? Las he revisado y no están hinchadas, esa es mi duda.
¿Por qué se incendian las baterías de litio de motos eléctricas?, siendo estas originales según fabricante. ¿cuáles serían las diferentes causas a su criterio?
Actualmente se están desarrollando nuevos ánodos con diferentes materiales (hidruros metálicos), debido a que cuando no se cumple la carga total se puede generar un cambio volumétrico en la estructura del mismo; esto disminuye la capacidad de carga de la batería. Seguramente eso le sucedió a tu dron.