Lo que vemos en la figura
anterior es que muchas aplicaciones están adoptando la tecnología de ión Litio
por sus muchas ventajas.
La tecnología de plomo ácido
sellada es el mayor mercado de baterías hoy en día y está previsto su
crecimiento futuro, pero el mercado de ión litio (color rojo) ya ha superado el
mercado SLA en 2017. El ión litio es claramente la solución para muchas
aplicaciones.
Basándonos en el peso y tamaño,
la tecnología de ión litio ofrece muy alta densidad comparada con otros
químicos más antiguos. Las células de ión litio almacenan y reparten más
energía que otras baterías recargables y tienen mejor ciclo de vida.
Hay una gran variedad de células
de ión litio. El ión litio es mejor aunque hay una variedad familias de
químicos que comparten el ión litio trabajando entre ánodo y cátodo. Varias
variaciones de tecnología de ión litio están en el mercado con varios métodos
de ensamblaje y químicas de cátodo y ánodo.
Las células de batería de ión
litio operan a voltajes más altos que otras recargables, típicamente alrededor
de 3,6 voltios, contra 1,2 voltios para Ni-Cd o NiMH y 2 voltios para SLA.
La salida de voltaje del pack de
baterías se incrementa añadiendo celdas que se conectan en serie. La capacidad
se incrementa añadiendo celdas en paralelo. El voltaje más alto de ión litio
significa que una célula simple puede a menudo ser usada antes que las celdas
múltiples requeridas cuando se usan otras tecnologías más antiguas.
Otras diferencias clave son que
tiene una tasa de autodescarga que es tres veces menor que el níquel, así que
la vida útil es más larga.
Los packs de baterías de ión
litio no son una configuración simple de celdas. Son productos de ingeniería
con muchas características de seguridad.
Las celdas son los bloques
fundamentales que almacenan la energía. La química elegida para el ánodo,
cátodo y electrolito determina el voltaje de la célula, capacidad y capacidad
de corriente. Otros componentes de la célula están integrados para realzar y
permitir las características deseadas de la combinación de química. Por
ejemplo, los colectores de corriente se dimensionarán en orden de tener una
alta densidad de energía o alta transmisión de potencia. El empaquetamiento de
células externo puede tener una variedad de tamaños y formas en pares:
cilíndricas o prismáticas o forma de ladrillo.
A nivel de células, los
mecanismos de seguridad incluyen:
- El separador, que es quizás la característica de seguridad más importante, protegiendo contra cortos entre el material del ánodo y cátodo. Los separadores multi-capa proporcionan un nivel extra de seguridad.
- El PTC, que proporciona la función tanto de fusible de corriente como fusible térmico. Cuando una sobrecorriente fluye a través del PTC, el autocalentamiento incrementa la resistencia y rompe el circuito.
- El dispositivo interruptor de corriente, que trabaja con la válvula de liberación de presión para liberar o ventear un exceso de gas si la presión interna alcanza un nivel inseguro durante la carga.
- Un tubo de venteo en el centro guiará cualquier presión acumulada en el fondo de la célula a la válvula de liberación de presión localizada en la parte superior de la celda.
El tamaño de la célula tiene
mucha relación con el tiempo de funcionamiento de la batería. Sin embargo,
comparando cilíndricas con prismáticos, mantenemos en mente que cuanto más delgada
es la célula, mayor será el porcentaje de material empaquetado.
Tendencias de baterías
Las industrias como militar y
médica cada vez dependen más de dispositivos portátiles y móviles. Los
requerimientos diversos de aplicaciones en estas industrias están empujando los
límites de las capacidades de las baterías tradicionales. Las aplicaciones
militares típicamente requieren operación de baja temperatura. Las aplicaciones
médicas requieren un estado alto de lectura y calidad en los indicadores de
carga. La exploración de petróleo requiere operación a altas temperaturas. En
realidad, estas industrias son nichos de mercado para baterías.
El desarrollo de nuevos químicos
es lento y viene impulsado por enormes aplicaciones de volumen. Las primeras
aplicaciones que demandan baterías de alta calidad y buena densidad de energía
fueron los ordenadores portátiles, teléfonos móviles, PDAs, etc. La necesidad
se fundamenta en la alta densidad de energía en factores de forma relativamente
pequeñas. El ciclo de vida no es una preocupación ya que estos productos no se
espera duren tanto. Sin embargo, en el mercado de vehículos eléctricos
emergentes, la densidad de energía es importante porque transmite al vehículo
un rango alto, aunque el ciclo de vida y la seguridad están tomando cada vez
más importancia. Nadie desea tener que reemplazar la batería del vehículo cada
dos años. También hay una enorme
cantidad de energía almacenada en la batería del coche, así que es importante
enfatizar la seguridad.
Evolución de la química del cátodo
El material del ánodo en una
célula es típicamente grafito o coque, productos basados en el carbón. La
dirección futura para el ánodo es hacia material basado en silicio, otro
producto común así se obtiene fácilmente. Los materiales del cátodo, por otra
parte, representan un desafío en disponibilidad.
Para conseguir el tiempo de
funcionamiento máximo, teléfonos celulares, cámaras digitales y ordenadores
portátiles han usado baterías de ión-litio basadas en cobalto debido a que las
alternativas tienen densidad de energía más baja. Este material del cátodo
tiene varias desventajas. Hasta fechas recientes, casi todas las células de
ión-litio se basan en óxido de cobalto litio (LiCoO2), un material patentado a
principios de los ochenta. Su fortaleza es que es fácilmente procesado y tiene
buen ciclo de vida. Sin embargo, esto no está fácilmente disponible.
El 64 % de los depósitos de
cobalto están en el Congo y Zambia; tierras que los chinos han estado
comprando. Los precios tienen enormes fluctuaciones. Finalmente, este cátodo es
químicamente más volátil que otros materiales de cátodo potencial. Por estos
motivos la industria se está moviendo lejos de ellos. Si bien el 99 % de las
baterías de ión litio se producen con cátodo basado en cobalto en 2006,
solamente el 54 % de las baterías de ión litio usaban un cátodo de LiCoO2 en
2009, y el número se espera sigua decreciendo.
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