Innovaciones en la tecnología de baterías para dispositivos portátiles (2ª PARTE)

Ver 1ª PARTE

Para encontrar un compromiso entre densidad de energía alta, seguridad operacional y buen reparto de corriente, los fabricantes de baterías de ión litio están ajustando sus mezclas. Los metales de transición alternativos se constituyen con Co con un esfuerzo para cambiar la estructura y rendimiento muy poco. La mayoría de estas mezclas usan níquel, manganeso, y a veces aluminio. Los beneficios de los nuevos químicos incluyen un incremento en la seguridad, además de un coste inferior.

El fosfato de hierro y litio y el óxido de manganeso litio (Spinel) está siendo introducido como alternativa. Sin embargo, tienen un cambio más radical en rendimiento y se prestan así mismos a aplicaciones de corriente alta.

Al comienzo de esta entrada vemos las curvas de descarga con varias alternativas diferentes comparadas al cobalto (el azul oscuro). Estos están en alto volumen de producción hoy y están disponibles de una gran variedad de fabricantes. Tanto la capacidad como el voltaje son dependientes de la química del cátodo, incluso en la misma celda.

El fosfato de hierro produce un perfil de descarga increíblemente plano, lo que hace muy desafiante medir el estado de carga.

La tendencia en las baterías es la diversificación en vez de unificación. Incluso en los materiales mixtos que se están desarrollando hay una compensación y debe hacerse la elección correcta.

• La estabilidad de material incrementada está ligada a altos costes con un incremento en el contenido del cobalto.
• Un incremento en el contenido de níquel produce un incremento en capacidad, pero una disminución en seguridad.
• El manganeso adicional renuncia capacidad pero incrementa la seguridad.

Abajo vemos algunos materiales que pueden estar disponibles en el futuro. El área azul muestra la ventana del electrolito. Un voltaje superior al de la ventana descompondrá el electrolito. Además de la capacidad de corriente, es mejor estar en la parte superior de ese gráfico. Además de la capacidad de corriente, es mejor estar en la parte derecha superior del gráfico. El material basado en cobalto es verde. Los investigadores están trabajado en diferentes materiales basados en vanadio y titanio. El objetivo primario es mejorar el ciclo de vida para el mercado de vehículos eléctricos. 

Mejoras en la capacidad

La transmisión de corriente y potencia son importantes en muchas aplicaciones tales como las herramientas de potencia, instrumentos quirúrgicos y otros productos conteniendo un motor. La corriente de carga y descarga de una batería se mide en capacidad c que se usa para estimar o designar el tiempo de funcionamiento efectivo esperado de una batería bajo carga y condiciones de descarga variables.

La mayoría de las baterías portátiles están calificadas a 1 c. Esto significa que una batería de 1000 mAh proporcionaría 1000 mA durante una hora a una capacidad de descarga de 1 c. La misma batería descargada a 0,5 c proporcionaría 500 mA durante dos horas. Teóricamente, la capacidad sería la misma que con una descarga más lenta ya que se dispensa idéntica cantidad de energía, solo que en menos tiempo. Sin embargo, debido a las pérdidas internas y a la caída de voltaje la batería se cortará antes. Para las baterías de plomo ácido este efecto es extremo, pero para las de ión litio es mínimo.

La temperatura y la corriente pueden ambos afectar el rendimiento de la batería. Como vemos en la siguiente gráfica, la capacidad (y tiempo de funcionamiento) de esta batería cae cuando la temperatura varía de 45 ºC a 5 ºC para una corriente de 2,4 A (1c).  Este efecto puede ser mayor o menor dependiendo solamente de ligeras variaciones en la química de la celda.

Para diseñar una celda que pueda acomodar altas capacidades de carga y descarga, la longitud de la trayectoria y resistencia deben reducirse para el transporte de iones y electrones.

El acortamiento de la longitud de la trayectoria puede hacerse cambiando la morfología física del material activo de la batería y/o cambiando la estructura de la química del material. Una aproximación para resolver el problema físicamente es disminuir el tamaño de la partícula de los materiales a tamaño tan pequeño como nano escala. El óxido de cobalto tiene una estructura de cristal atómico. Los iones se transportan hacia adentro y hacia afuera en capas de dos dimensiones. Alternativamente, estructuras tales como el spinel de manganeso u olivinos de fosfato son 3D y dan buena movilidad y reparto de potencia, pero pobre densidad de energía. Típicamente, una celda está hecha de un cátodo de manganeso. Típicamente, una celda hecha con cátodo de manganeso puro proporciona sólo la mitad de la capacidad del cobalto.

Adicionalmente a estos cambios, la resistencia de las celdas puede disminuirse usando materiales delgados, incrementando la cantidad de colectores de corriente e incrementando la concentración del electrolito y reduciendo su viscosidad con solventes.

Muchos de estos cambios sugieren que las celdas de litio-polímero, que pueden ser muy delgadas, se prestan para diseños de altas capacidades.

Bibliografía

·         Innovations in Battery Technology for Portable Devices. MicroPower Electrochem