El mundo automovilístico está en pleno cambio de su estructura debido a los ya bien conocidos coches eléctricos. La revolución en esta industria ha dado lugar a un avance importante en las baterías de litio y otras alternativas prometedoras, aun en desarrollo.
Actualmente, ya en el mercado y en uso, podemos encontrar diferentes químicas que utiliza el litio en baterías. Dependiendo del tipo de componentes que acompañen al litio, la batería puede ser recargable o no, de la misma forma cada tipo de reacción química le acompaña un rango de voltaje diferente.
En este post hablaremos de las tecnologías de litio que podemos encontrar en el mercado.
Para entender todas las particularidades que puede tener una batería de litio, tenemos que partir de que cada fabricante tiene una composición química propia. Utilizar un electrodo positivo u otro, hace que el voltaje, la descarga y la densidad electrónica varíen, datos que se pueden estudiar relativamente fácil. En cambio, el ánodo o electrodo negativo da diferentes características a la batería y no se puede estudiar fácilmente, son los proveedores los que nos pueden informar de dicha composición. Normalmente suele ser grafito y otros elementos de carbono.
Refiriéndonos únicamente al cátodo nos entramos:
Baterías primarias: baterías no recargables (Pilas)
Litio dióxido manganeso (LiMnO2)
Tal vez, cuando pensamos en baterías de litio no pensamos en las pilas de litio, puede que esta tecnología sea la más utilizada en número de baterías de litio fabricadas en el mundo por la aplicación que tienen. Tienen una alta densidad, una descarga estable y no son útiles para altas descargas. Normalmente se utilizan en aplicaciones de descargas residuales, tipo “back up” que requieren de periodos largos de duración.
El voltaje máximo que pueden tener es de 3,2V, se descarga de forma estable a 3V y se consideran descargadas a 2V.
Actualmente, empiezan a sustituir a las tradicionales alcalinas en aplicaciones donde se utilizan 2 pilas alcalinas en serie para conseguir los 3V. Además, presentan una ventaja que solo comparten con las baterías de litio cloruro de tionilo: el rango de temperatura es muy superior al del resto de tecnologías (-55ºC a 85ºC), lo que las convierte, en ocasiones, en las únicas baterías útiles.
Litio cloruro de tionilo (Li-SOCL2)
También son pilas, pero su composición hace que su voltaje sea semejante a las recargables, de 3,6V. Lo que permite que tengan más densidad energética y, curiosamente, drenajes energéticos mayores. Por lo contrario, se pasivan antes, es decir, se estropean antes si se dejan almacenadas sin descargar.
Aunque esta tecnología es capaz de entregar una potencia mayor que las pilas de dióxido de manganeso, sigue siendo una descarga semejante a una batería estándar de LiNiCoO2, es por ello, por lo que muchas veces se utilizan super condensadores que acompañan a esta pila. Su función es dar el pico de descarga que esta tecnología no es capaz de dar.
Litio disulfuro de hierro (LiFeS2)
Son pilas de litio de densidad energética media/baja en comparación con las otras pilas, no obstante, presentan dos ventajas indiscutibles frente a las otras: permiten una alta descarga y su voltaje estándar de descarga es 1,5V, como las pilas alcalinas, lo que permite que se sustituya en cualquier aplicación que se haya diseñado para una pila alcalina.
Esta tecnología presenta tres ventajas frente a las alcalinas: su rango de temperatura de trabajo es superior (-40 a 60ºC), su capacidad es mayor (un 20%) y su descarga es muy superior (hasta 10 veces más). No obstante, el coste es mucho mayor. Actualmente se sustituyen las alcalinas por esta pila en aplicaciones donde la temperatura impide que las alcalinas funcionen adecuadamente, donde es necesario un pico de descarga y no deseamos utilizar super condensadores o, en ocasiones, en equipos donde es necesario el cambio rutinario de la pila alcalina, un 20% más de duración, hace que se reduzca la mano de obra.
Baterías secundarias: baterías recargables
Litio níquel óxido de cobalto LiNiXCoYO2
Comencemos por una de las tecnologías más populares. En el mercado se conocen como baterías Li-ion, aunque todas son Li-ion solo éstas y las de LiNiMnCoO se han quedado con esta denominación.
Son baterías recargables que tienen una alta densidad energética, la mayor entre las habituales, pero, en contrapartida, son las más inestables: la sobrecarga, las condiciones adversas y los golpes pueden hacer que se produzca fácilmente un cortocircuito interno, dando lugar a las conocidas explosiones con repercusiones virulentas. No obstante, es una de las más comercializadas ya que es la más económica de fabricar y en condiciones normales de descargas bajas dan mejores prestaciones que otras baterías.
Por su química se debe cargar como máximo a 4,2V, tiene una descarga estable a unos 3,7V y el final de la carga es a unos 2,8V. Hablamos de valores aproximados porque el fabricante puede recomendar otros valores, pues depende del porcentaje de cada compuesto utilizado y de la optimización de la vida útil de la batería que tenga dicha composición.
Litio níquel manganeso óxido de cobalto (LiNiXMnYCoZO2)
Se podría decir que es una mejora respecto a la anterior, suponemos que por ello también se conoce como batería de Li-ion, pero no tiene la misma composición. El hecho de añadir manganeso al cátodo de una batería aumenta la estabilidad de la misma, en condiciones adversas se comporta mejor y las consecuencias no son tan virulentas como las de LiNiCo. No obstante, en seguridad no presentan como tal una mejora sustancial, pero si la presentan en capacidad de descarga. El hecho que sean más estables químicamente permite al fabricante que la reacción química se pueda realizar más rápidamente ya que su resistencia interna es menor, aunque esto también es gracias al ánodo seleccionado y al modo de fabricación mecánico de la propia batería.
En cuando al voltaje, tiene un comportamiento similar al de las anteriores, aunque muchos fabricantes exponen en la ficha técnica que tiene una descarga estable de 3.6V, algo menor que la anterior.
Económicamente son de un coste mayor, aunque suelen tener más ciclos de vida.
* Nota: sobre las baterías de Litio-Polímero podríamos poner otro punto, no obstante, estas no presentan una diferencia en el cátodo con las dos baterías ya nombradas, lo que las diferencia es el electrolito, es decir el compuesto que está de intermediario entre el cátodo y el ánodo. En el caso de las baterías de Li-NiCo y Li-NiMnCo el electrolito es una sal de litio contenida en un solvente orgánico líquido, mientras que en las baterías de litio polímero la sal de litio está contenida en un gel que es un compuesto polimérico. Esta diferencia permite que su estructura mecánica sea diferente pero químicamente son muy semejantes, es por ello que su comportamiento también lo es.
Litio ferrofosfato (LiFePO4)
Presentan una mejora en los ciclos de vida y en el comportamiento frente a condiciones adversas. Son capaces de funcionar en rangos de temperaturas mayores que las anteriores. Normalmente se fabrican con un máximo de descarga 3 veces superior a su capacidad, lo que hace que tengan mejores prestaciones que unas normales de li-ion pero menores que unas de alta descarga.
Por su química se debe cargar como máximo a 3.65V, tiene una descarga estable a unos 3.2V y el final de la carga es a unos 2.6V. Por lo mismo, tiene menos densidad electrónica que las anteriores baterías recargables.
Realmente, el litio ferrofosfato se suele usar en aplicaciones donde se requiere más ciclos de vida y seguridad, por el simple hecho de que si se produce un cortocircuito interno la reacción química desencadenada es menos agresiva que la de las otras baterías. De la misma forma, es más tolerante a las cargas inadecuadas lo que las hace útiles en luces de emergencia, cuya carga residual y constante es drásticamente dañina para las baterías de litio, en cambio, esta batería la soporta durante más tiempo antes de causar un cortocircuito interno.
Litio titanato (LiTO)
Estas baterías, dentro de todas las de litio presenta una ventaja de suma importancia: la seguridad. De todas ellas es la única que no se incendia, ni explota cuando se crea un cortocircuito interno.
Por su química se debe cargar como máximo a 2.8V, tiene una descarga estable a unos 2.4V y el final de la carga es a unos 1.5V.
Su mejora se debe a que el ánodo se cubre con una estructura de nanopartículas de litio-titanato y se elimina el carbono. Esta mejora no solo supone una ventaja en seguridad, sino que también permite que su carga y descarga se realice con mayor rapidez, aunque también presenta unas desventajas importantes: su densidad electrónica es mucho menor (60W/kg) y su coste es bastante mayor. Aun así, tiene más ciclos de vida que cualquier otra tecnología.
Los fabricantes de coches eléctricos que han apostado por esta tecnología aseguran que su coche se puede cargar en 6 minutos, dar una autonómica de mas de 300km con esa carga y que la vida útil de la batería puede llegar a 20 años en esas condiciones. Si sumamos la gran ventaja en seguridad, tal vez el litio titanato debería haber sido la apuesta de todo el sector automovilístico, en cambio, no es así, Toshiba produce la mayor parte de estas baterías y el resto de la fabricación para vehículos eléctricos está centrado en el Li-NiMnCoO y en su electrónica de protección para poder usar estas baterías.
Todas las tecnologías están en continua mejora, de hecho, Toshiba ha presentado en 2019 una mejora sustancial en el litio titanato utilizando un ánodo de óxido de titanio y niobio. Esta mejora borra del mapa su baja densidad energética que tenía hasta ahora y le hace competir con una de Li-NiMnCoO. Es una tecnología nueva, pero la convierte en la batería recargable con mas prestaciones con mucha diferencia exceptuando por el coste que supone.
De todos modos, como ya hemos comentado en post anteriores, la batería o pila idónea no existe, lo que tenemos son múltiples alternativas y cada una es mejor para unas aplicaciones y para otras no. Así como hablamos de que la última alternativa de Toshiba parece ser la mejor, en ocasiones en la que la aplicación es sencilla, el coste que supone esta batería no se justifica, o si el espacio delimitante solo permite poner una batería de litio polímero o bien se precisa de un rango de temperaturas muy extremo y tenemos que optar por una pila. Cada tecnología es mejor que otras dependiendo de la aplicación solo hay que seleccionar la adecuada a cada caso.
