Tipos de Baterías de Ion de Litio
Las baterías de litio son más populares hoy en día que nunca antes. Las encontrarás en tu teléfono móvil, tu ordenador portátil, en vehículos eléctricos... etc. Sin embargo, no todas las baterías de litio son iguales, y no todas se usan para las mismas aplicaciones. Echaremos un vistazo más de cerca a los tipos principales de baterías de litio, sus pros y contras, así como las mejores aplicaciones para cada una.
Contenido
- ¿Cómo funciona una batería convencional?
- ¿Qué es y cómo funciona una batería de litio?
- ¿Cuáles son los principales de baterías de litio?
- Resumen de características eléctricas más frecuentes:
- ¿Son todos los tipos de baterías litio compatibles con los paneles solares?
- Conclusiones:
- Autor / Redactor:
¿Cómo funciona una batería convencional?
Todas las baterías operan bajo el principio de la electroquímica. Se conoce por reacción electroquímica a aquella en la que los electrodos se transfieren de una especie a otra a medida que se produce la reacción química.
En una batería esta reacción es ejecutada mediante electrodos. En el electrodo negativo de la batería conocido como ánodo ocurre una reacción de oxidación, mediante esta reacción una especie química pierde electrones.
El otro electrodo en la batería que es conocido como cátodo, en cuál se produce la reacción de reducción, en la cual los electrones se combinan con iones para formar especies estables y eléctricamente neutras.
Las baterías aprovechan las reacciones para conseguir el flujo de electrones formados por la oxidación en el ánodo mediante el electrolito que los conduce hasta el cátodo, donde serán utilizados en la reacción de reducción
¿Qué es y cómo funciona una batería de litio?
El litio es un metal que tiene más facilidad para desprenderse del electrón más externo de sus átomos. Cuando esto sucede, el átomo de Litio queda cargado positivamente (al tener un electrón menos). Este es el motivo de por qué las baterías de Litio se llaman de ion litio (Li+).
Funcionamiento de las baterías de Ion de Litio:
Una batería de ion litio consta de un cátodo (polo positivo) compuesto por óxido de cobalto-litio y un ánodo (polo negativo) compuesto por un matrerial llamado "coke" similar al grafito. Al tener el ánodo y el cátodo una distribución laminar, pueden contener litio entre esas láminas.
Una capa aislante llamada "separador" divide los dos lados de la batería y bloquea los electrones pero permite que los iones de litio pasen a través de ellos, a través del electrolito, desde el ánodo a cátodo, o viceversa, dependiendo si se está cargando o descargando. Los electrones (los que se han desprendido del átomo de litio), por su parte, circularán por el circuito externo que alimenta las cargas.
Fase de Carga:
Para cargar la batería, esta debe conectarse a una fuente de energía como, por ejemplo, a la procedente de las placas solares. Esto provoca que los electrones de esa fuente externa de electricidad, lleguen al ánodo, y esto provoca que los iones de litio del cátodo vuelvan desde el lado positivo (cátodo) de la batería al lado negativo (ánodo) a través del separador, hasta que ese movimiento cesa cuando la batería está totalmente cargada.
Este movimiento de iones de litio provoca una diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo y esta diferencia de potencial eléctrico se llama voltaje o tensión de la batería.
Fase de Descarga:
En la fase de descarga de la batería, los iones de litio se mueven desde el ánodo al cátodo a través del electrolito y esto provoca una caída de potencial eléctrico, y es esta energía es la que se entrega a los equipos conectados a la batería. Por tanto, los electrones circularán por el circuito exterior que es donde se conectan las cargas (móvil, coche eléctrico...).
Una vez que todos los iones de litio se han depositado en el cátodo, la batería quedaría descargada.
¿Cuáles son los principales de baterías de litio?
Los diferentes tipos de baterías de litio que existen obtienen sus nombres de sus materiales activos. Todas ellas son recargables, como vimos anteriormente.
Esta es la lista de tipos de baterías de litio más utilizadas:
- Litio fosfato de hierro LFP.
- Litio y óxido de cobalto LCO.
- Óxido de litio-manganeso LMO.
- Litio níquel manganeso óxido de cobalto NMC.
- Litio níquel cobalto óxido de aluminio NCA.
- Titanato de litio LTO.
Batería de Fosfato de Hierro-Litio (LFP):
Las baterías de fosfato de hierro litio (LFP) utilizan fosfato de hierro-litio como material catódico y un electrodo de carbono grafítico como ánodo. Las baterías LFP tienen un ciclo de vida largo con una buena estabilidad térmica y rendimiento electroquímico.
Para qué se utilizan:
Las celdas de batería LFP tienen un voltaje nominal de 3,2 voltios, por lo que conectar cuatro de ellas en serie resulta en una batería de 12,8 voltios. Esto hace que las baterías LFP sean el tipo más común de batería de litio para reemplazar las baterías de ciclo profundo de ácido plomo y son las más utilizadas por las mejores marcas baterías de litio para placas solares del mercado.
Ventajas:
La durabilidad, un ciclo de vida largo y la seguridad son los aspectos más destacables.
Las baterías LFP típicamente tienen una calificación de ciclo de vida de, al menos, 2.000 ciclos o más. A diferencia de las baterías de ácido plomo, la profundidad de descarga tiene un impacto mínimo en la vida útil de las baterías LFP. La mayoría de los fabricantes de baterías de litio LFP garantizan sus baterías con una profundidad de descarga del 80% y algunos incluso permiten una descarga del 100% sin dañar la batería.
Los materiales utilizados en las baterías de fosfato de hierro litio ofrecen baja resistencia, lo que las hace seguras y altamente estables. El umbral de fuga térmica es de alrededor de 260 grados Celsius, lo que hace que las baterías LFP sean una de las opciones más seguras de batería de litio, incluso cuando están completamente cargadas.
Desventajas:
Hay algunas desventajas en el uso de baterías LFP. La primera es que en comparación con otros tipos de baterías de litio, tienen una energía específica (Energía que puede almacenar la batería por kg de peso, o Wh/kg) relativamente baja. Su rendimiento también puede disminuir en bajas temperaturas.
La combinación de la baja energía específica y el rendimiento reducido en temperaturas frías significa que las baterías LFP pueden no ser una buena opción en algunas aplicaciones de arranque de alta demanda de energía muy concretas.
Baterías de óxido de litio y cobalto (LCO):
Estas baterías de litio utilizan el óxido de litio y cobalto como cátodo y tienen una alta energía específica pero baja potencia específica (capacidad de entrega de potencia en espacio de tiempo corto). Esto significa que no funcionan bien en aplicaciones de carga alta, pero pueden entregar energía durante un período prolongado.
Las baterías LCO eran comunes en pequeños electrónicos portátiles como teléfonos móviles, tabletas, laptops y cámaras. Sin embargo, están perdiendo popularidad ante otros tipos de baterías de litio debido al alto costo del cobalto y las preocupaciones de seguridad.
Ventajas:
La gran ventaja de las baterías LCO es su alta energía específica. Esto les permite entregar energía durante un período relativamente largo en aplicaciones de carga baja.
Desventajas:
En primer lugar, las baterías LCO sufren de una vida útil relativamente corta, normalmente entre 500-1.000 ciclos. Además, el cobalto es bastante caro por lo que no resultan rentables.
Las baterías LCO también tienen una baja estabilidad térmica, lo que lleva a problemas de seguridad. Además, su baja potencia específica limita la capacidad de las baterías LCO para funcionar en aplicaciones que requieran una demanda de energía elevada en poco tiempo.
Baterías de óxido de manganeso de litio (LMO):
Este tipo de baterías de litio, utilizan óxido de manganeso de litio como material de cátodo. Esta química crea una estructura tridimensional que mejora el flujo de iones, reduce la resistencia interna e incrementa el manejo de corriente, al mismo tiempo que mejora la estabilidad térmica y la seguridad.
Este tipo de baterías LMO se encuentran comúnmente en herramientas eléctricas portátiles, instrumentos médicos y algunos vehículos híbridos y eléctricos.
Ventajas:
Las baterías LMO se cargan rápidamente y ofrecen una alta potencia específica. Esto significa que pueden entregar una corriente más alta que las baterías LCO, por ejemplo. También ofrecen una mejor estabilidad térmica que las baterías LCO, lo que significa que pueden funcionar de manera segura a temperaturas más elevadas.
Otra ventaja de las baterías LMO es su flexibilidad. Al ajustar la química interna, se permite que las baterías LMO se optimicen para manejar aplicaciones de alta carga o aplicaciones de larga duración.
Desventajas:
La principal desventaja de las baterías LMO es su corta duración de vida. Típicamente, las baterías LMO suelen durar entre 300 y 700 ciclos de carga, que es mucho menos que otros tipos de baterías de litio de las que hemos hablado.
Baterías de Óxido de Níquel Manganeso Cobre de Litio (NMC):
Las baterías de óxido de níquel manganeso cobre de litio (NMC) combinan las ventajas de los tres elementos principales que incorporan en el cátodo: níquel, manganeso y cobre.
El níquel por sí solo tiene una alta energía específica aunque no es estable. El manganeso es excepcionalmente estable pero tiene una baja energía específica. Pero la combinación de ellos produce una química estable con una alta energía específica.
Al igual que las baterías LMO, las baterías de litio NMC son muy utilizadas herramientas eléctricas, así como en sistemas de energía electrónica para bicicletas eléctricas, patinetes y algunos vehículos eléctricos.
Ventajas:
Las ventajas de las baterías NMC incluyen una alta densidad energética y una vida útil más larga a un precio más bajo que las baterías basadas en cobre. También tienen una mayor estabilidad térmica que las baterías LCO, lo que las hace más seguras que estas.
Desventajas:
La principal desventaja de las baterías NMC es que tienen un voltaje ligeramente más bajo que las baterías basadas en cobre.
Baterías de Óxido de níquel cobalto aluminio litio (NCA):
Las baterías de óxido de níquel cobalto aluminio litio (NCA) ofrecen una alta energía específica con una potencia específica satisfactoria y un ciclo de vida prolongado. Esto significa que pueden proporcionar una cantidad relativamente alta de corriente por períodos prolongados.
Este tipo de baterías se utilizan mucho en el mercado de coches eléctricos.
Ventajas:
Las mayores ventajas de las baterías NCA son la alta energía y su vida útil.
Desventajas:
Las baterías de tecnología NCA, son más caras y algo menos seguras, que otras de las baterías de litio comentadas.
Baterías de Titanato de Litio (LTO):
Todos los tipos de baterías de litio que hemos analizado se diferencian por la composición química de su cátodo. Las baterías de litio titanato (LTO) reemplazan el grafito en el ánodo titanato de litio y utilizan LMO o NMC para el cátodo.
El resultado es una batería extremadamente segura con una larga vida útil que se carga más rápido que cualquier otro tipo de batería de litio.
Muchas son las aplicaciones que utilizan baterías LTO, como coches eléctricos y estaciones de carga, fuentes de alimentación ininterrumpidas, almacenamiento de energía eólica y solar, farolas solares, sistemas de telecomunicaciones ... etc
Ventajas:
Las baterías LTO ofrecen muchas ventajas, incluyendo carga muy rápida, un amplio rango de temperatura de funcionamiento, una larga vida útil y gran seguridad por su estabilidad.
Desventajas:
Tienen una baja densidad de energía, lo que significa que almacenan una cantidad menor de energía en relación a su peso en comparación con algunas otras tecnologías de litio. Y otro problema, por el momento, es que su precio es muy elevado.
Resumen de características eléctricas más frecuentes:
Como último aporte, estas son algunas de las características eléctricas más frecuentes de las baterías analizadas, así como aspectos destacables:
Tipo | Óxido de litio y cobalto LiCoO2 (LCO) |
Óxido de manganeso de litio LiMn2O4 (LMO) | Fosfato de Hierro-Litio LiFePO4 (LFP) | Óxido de Níquel Manganeso Cobre de Litio LiNiMnCoO2 (NMC) |
Voltaje | 3.60V | 3.80V | 3.30V | 3.60/3.70V |
Limita de carga | 4.20V | 4.20V | 3.60V | 4.20V |
Ciclos de vida | 500–1,000 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 1,000–2,000 |
Temperatura de funcionamiento | Medio | Medio | Bueno | Bueno |
Energía especifica | 150–190Wh/kg | 100–135Wh/kg | 90–120Wh/kg | 140-180Wh/kg |
Temperatura Máxima | 150°C (302°F) |
250°C (482°F) |
270°C (518°F) |
210°C (410°F) |
Fecha de lanzamiento | 1994 | 1996 | 1999 | 2003 |
Fabricantes destacados | Sony, Sanyo, GS Yuasa, LG Chem Samsung Hitachi, Toshiba | Hitachi, Samsung, Sanyo, GS Yuasa, LG Chem, Toshiba Moli Energy, NEC |
A123, Valence, GS Yuasa, BYD, JCI/Saft, Lishen, Enphase, SunPower | Sony, Sanyo, LG Chem, GS Yuasa, Hitachi Samsung |
Otra información | Alta energía especifica, baja potencia, se usa en móviles portátiles… | Alta potencia, buena energía especifica. Se usa en coches eléctricos, herramientas... | Alta descarga | Se utiliza en herramientas, medicina, coches eléctricos... |
¿Son todos los tipos de baterías litio compatibles con los paneles solares?
De todos los tipos de baterías de litio mencionadas, las que se utilizan generalmente con paneles solares son las de LFP Litio Ferro Fostato. El resto de las mencionadas tienen muchas otras aplicaciones, desde ordenadores hasta vehículos eléctricos o la industria aeroespacial.
Por lo tanto las de Fosfato Hierro-Litio son las más utilizadas como baterías de litio para paneles solares y prácticamente todos los fabricantes del mundo como BYD, Enphase, SunPower... etc, es la tecnología que emplean en la fabricación de sus baterías.
Conclusiones:
El mercado de las baterías de litio esta en crecimiento y aunque a día de hoy es dominado por las baterías LFP, la evolución de los costes y de la tecnología traerá muchas novedades los próximos año para almacenamiento de energía a gran escala en energía solar, eólica, coches eléctricos... etc.
Autor / Redactor:
Profesional Fotovoltaico desde 2006.
- Ingeniero técnico Industrial por la Escuela Politécnica de Ferrol.
- Experto en Solar Fotovoltaica por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de Madrid en 2009-2010.
- Experto Profesional en Energía Fotovoltaica, por la UNED 2010-2011.
- Gerente y Responsable de Compras en SunFields Europe desde 2010.
Más sobre mí en: https://es.linkedin.com/in/jose-a-alonso-sunfields/