El elemento clave en la movilidad de los dispositivos electrónicos es la batería recargable (pila). Las crecientes exigencias para garantizar la mayor autonomía posible han impulsado la investigación continua en este ámbito y han llevado al desarrollo de nuevas soluciones tecnológicas.
Se introdujo una alternativa a las baterías de Ni-Cd y Ni-MH ampliamente utilizadas, primero las baterías de litio y luego las más avanzadas de iones de litio.
Contenido
Historia
Las primeras baterías de este tipo surgieron en los años 70. Su demanda fue inmediata debido a su mayor rendimiento. El ánodo de la célula estaba fabricado con el metal litio, cuyas propiedades permitían aumentar la densidad energética. De este modo se desarrollaron las baterías de litio.
Las nuevas baterías tenían una gran desventaja: un mayor riesgo de explosión e ignición. La razón era la formación de una película de litio en la superficie de los electrodos, lo que provocaba una inestabilidad de la temperatura. Con la carga máxima, la batería podría explotar.
El perfeccionamiento de la tecnología llevó al abandono del litio puro en los componentes de la batería en favor del uso de iones con carga positiva. La batería de iones de litio resultó ser una solución exitosa.
Este tipo de batería tiene un mayor margen de seguridad debido a una densidad energética ligeramente inferior, pero los avances tecnológicos han permitido minimizar la desventaja.
El dispositivo
La introducción de las baterías de iones de litio en la electrónica de consumo ha experimentado un gran avance con el desarrollo de una batería con un cátodo de material de carbono (grafito) y un ánodo de óxido de cobalto.
El proceso de descarga elimina los iones de litio del material del cátodo y los incorpora al óxido de cobalto del electrodo opuesto; durante la carga el proceso tiene lugar en la dirección opuesta. De este modo, los iones de litio crean la corriente eléctrica al pasar de un electrodo a otro.
Las baterías de iones de litio se fabrican en diseños cilíndricos y prismáticos. En el diseño cilíndrico, dos cintas de electrodos planos separadas por material impregnado de electrolito se enrollan y se colocan en una carcasa metálica sellada. El material catódico se aplica sobre una lámina de aluminio y el material anódico sobre una lámina de cobre.
El diseño prismático de la batería se obtiene apilando placas rectangulares una sobre otra. Esta forma de la batería permite que la disposición del dispositivo electrónico sea más densa. También existen pilas prismáticas con electrodos enrollados, retorcidos en espiral.
Funcionamiento y vida útil
Un funcionamiento largo, fiable y seguro de las baterías de iones de litio depende de un uso adecuado, cuyo incumplimiento no sólo acortará la vida útil del producto, sino que también puede tener consecuencias negativas.
Operación
El requisito clave para el funcionamiento de las baterías de iones de litio es la temperatura: hay que evitar el sobrecalentamiento. Las altas temperaturas pueden causar el máximo daño, y el sobrecalentamiento puede ser causado por una fuente externa, así como por las prácticas de carga y descarga estresantes.
Por ejemplo, si se calienta hasta 45°C, la capacidad de la batería para mantener la carga se reducirá hasta 2 veces. Esta temperatura puede alcanzarse fácilmente exponiendo el dispositivo al sol durante largos periodos de tiempo o ejecutando aplicaciones de alto consumo energético.
Si el producto se sobrecalienta, es aconsejable colocarlo en un lugar fresco, preferiblemente con la batería apagada y retirada.
En el calor del verano, hay que utilizar el modo de ahorro de energía de la batería, disponible en la mayoría de los dispositivos móviles, para que funcione lo mejor posible.
Las bajas temperaturas también tienen un efecto negativo en las baterías de iones de litio, ya que a temperaturas inferiores a -4 °C la batería ya no puede ofrecer toda su capacidad.
Sin embargo, el frío no es tan perjudicial para las baterías de iones de litio como las altas temperaturas y, en la mayoría de los casos, no causa daños permanentes. Aunque la batería recuperará totalmente su rendimiento tras calentarse a temperatura ambiente, no hay que olvidar la pérdida de capacidad en el frío.
Otra regla general para las baterías de iones de litio es evitar las descargas profundas. Muchas generaciones anteriores de baterías tenían un efecto memoria que requería descargarlas a cero y luego cargarlas completamente. Las baterías de iones de litio no tienen este efecto, y las descargas completas ocasionales no tienen efectos adversos, pero las descargas profundas continuas son perjudiciales. Se recomienda conectar el cargador a un nivel de carga del 30%.
De por vida
El uso incorrecto de las baterías de iones de litio puede acortar su vida útil entre 10 y 12 veces. Este término está directamente relacionado con el número de ciclos de carga. Se calcula que las baterías de iones de litio pueden utilizarse entre 500 y 1.000 ciclos en estado totalmente descargado. Un mayor porcentaje de carga restante antes de la siguiente carga aumentará significativamente la vida de la batería.
Dado que la duración de la vida útil de las baterías de iones de litio está determinada en gran medida por las condiciones de funcionamiento, no es posible dar una esperanza de vida exacta para estas baterías. Por término medio, una batería de este tipo puede durar entre 7 y 10 años si se cumplen las condiciones requeridas.
Proceso de carga
Evite enchufar la batería en el cargador durante un periodo de tiempo excesivo cuando la cargue. La batería de iones de litio funcionará normalmente con un voltaje no superior a 3,6 voltios. Los cargadores aplican 4,2V a la entrada de la batería durante el proceso de carga. Si se sobrepasa el tiempo de carga, pueden iniciarse reacciones electroquímicas indeseables en la batería, lo que provocará un sobrecalentamiento con todas las consecuencias que ello conlleva.
Los desarrolladores han tenido en cuenta esta característica: la seguridad de la carga de las modernas baterías de iones de litio está controlada por un dispositivo especial incorporado que detiene el proceso de carga si la tensión sube por encima del nivel permitido.
En el caso de las baterías de litio, el proceso de carga en dos etapas es la forma correcta de cargarlas. La primera etapa consiste en cargar la batería proporcionando una corriente de carga constante, la segunda etapa consiste en proporcionar una tensión constante y reducir gradualmente la corriente de carga. Este algoritmo está implementado por hardware en la mayoría de los cargadores de baterías domésticos.
Almacenamiento y eliminación
Una batería de iones de litio puede almacenarse durante mucho tiempo, con una autodescarga del 10-20% al año. Sin embargo, las características del producto (degradación) se deterioran gradualmente con el tiempo.
La batería debe almacenarse a una temperatura de entre +5°C y +25°C, y protegida de la humedad. Evite las vibraciones fuertes, los golpes o el contacto con las llamas.
El reciclaje de las pilas de iones de litio debe realizarse en una instalación de reciclaje autorizada. Casi el 80% de los materiales de las pilas recicladas pueden reutilizarse en la producción de nuevas pilas.
Seguridad
Una batería de iones de litio, incluso en su tamaño miniatura, conlleva un riesgo de autoignición explosiva. La característica especial de este tipo de baterías requiere medidas de seguridad en todas las etapas, desde el diseño hasta la producción y el almacenamiento.
Para mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio, durante la fabricación se coloca en el interior de la batería un pequeño circuito electrónico, un sistema de control y gestión diseñado para evitar la sobrecarga y el sobrecalentamiento. El mecanismo electrónico aumenta la resistencia del circuito cuando la temperatura sube por encima de un límite predeterminado. Algunos modelos de baterías tienen un interruptor mecánico incorporado que abre el circuito cuando la presión dentro de la batería aumenta.
Las carcasas de las baterías también suelen estar equipadas con una válvula de seguridad, que libera la presión en caso de emergencia.
Ventajas e inconvenientes de las baterías de litio
Las ventajas de este tipo de batería son:
- alta densidad de energía;
- ningún efecto de memoria;
- larga vida útil;
- baja tasa de autodescarga;
- sin necesidad de mantenimiento;
- sin necesidad de mantenimiento; sin necesidad de mantenimiento; sin necesidad de mantenimiento.
La batería de litio también tiene desventajas, como
- riesgo de autoinflamación;
- mayor coste que sus predecesores;
- la necesidad de un controlador incorporado;
- la indeseabilidad de la descarga profunda.
La tecnología de las baterías de iones de litio no deja de mejorar, y muchos de sus defectos se están convirtiendo poco a poco en cosa del pasado.
Aplicaciones
La alta densidad energética de las baterías de iones de litio determina su principal campo de aplicación: los dispositivos electrónicos móviles: ordenadores portátiles, tabletas, teléfonos inteligentes, videocámaras, cámaras, sistemas de navegación, diversos sensores incorporados y otros productos.
La existencia del factor de forma cilíndrica de estas pilas permite utilizarlas en linternas, teléfonos fijos y otros dispositivos que antes consumían energía de pilas desechables.
El principio de construcción de las baterías de iones de litio tiene diversas variantes, que difieren en el tipo de materiales utilizados (litio-cobalto, litio-manganeso, litio-níquel-manganeso-óxido de cobalto, etc.). Cada uno encuentra su propia aplicación.
Además de la electrónica móvil, el grupo de baterías de iones de litio se utiliza en las siguientes aplicaciones
- herramientas eléctricas manuales;
- equipo médico portátil;
- fuentes de alimentación ininterrumpida;
- sistemas de seguridad;
- módulos de iluminación de emergencia;
- estaciones de energía solar;
- coches eléctricos y bicicletas eléctricas.
Dados los constantes avances en la tecnología de iones de litio y el éxito de las baterías de alta capacidad y pequeño tamaño, podemos prever que la gama de aplicaciones de estas baterías seguirá ampliándose.
Etiquetado
Las baterías de iones de litio están marcadas en la carcasa exterior del producto y la codificación puede variar notablemente de un tamaño a otro. Todavía no se ha desarrollado una norma común para todos los fabricantes de baterías, pero aún es posible conocer los parámetros más importantes por cuenta propia.
Las letras de la fila indican el tipo de célula y los materiales utilizados: la primera letra I indica la tecnología de iones de litio, la siguiente letra (C, M, F o N) especifica la composición química, la tercera letra R significa que la célula es recargable.
Los números de la denominación del tamaño indican el tamaño de la pila en milímetros: los dos primeros números indican el diámetro y los otros dos la longitud. Por ejemplo, 18650 indica que el diámetro es de 18 mm y la longitud de 65 mm, 0 indica el factor de forma cilíndrica.
Las últimas letras y números de la fila son marcas de capacidad específicas del fabricante. Tampoco existen normas uniformes para indicar la fecha de fabricación.
