Innovaciones en la tecnología de baterías para dispositivos portátiles (1ª PARTE)

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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