la batería de litio-ion

8/18/2019 La Batería de Litio-ion

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Este cambio de actitud respecto del coche

híbrido no sería posible sin los rápidos desarro-

llos experimentados últimamente en la batería,

hasta hace poco anclada en el siglo XIX.

• Las baterías níquel-hidruro del Toyota se-

rán sustituidas por las Li-ion, que en un prin-

cipio fueron diseñadas solo para el ordena-

dor portátil y el teléfono portátil.

• También el 28 de marzo, Mercedes Benzanunció que incorporará la Li-ion a su híbri-

do clase-S, según Automotive News. Este co-

che, S400 Bluetec Hybrid, será vendido en

Europa a mediados del 2009, y en EE UU

unos meses más tarde. Su motor es de 300

CV y permite una economía de combustible

de casi 30 mpg. El S400 es el primer coche

de una serie Mercedes propulsados por Li-

ion. Las baterías Li-ion serán fabricadas en

Francia por Johnson Controls-Saft.

• GM también se suma a las Li-ion, desarrolla-

das por Hitachi, para la nueva generación dehíbridos, que estarán en el mercado en 2012.

Ahora dispone del ChevroletVolt híbrido.

• Otros fabricantes son Nissan, que recibirá

las Li-ion de NEC, y Toyota, que incorpora las

Li-ion de Matsushita. En EE UU fabricará las

Li-ion Ener1. Esta empresa tiene un contrato

de $70 millones para suministrar baterías Li-

ion a Think Electric, productor de coches to-

do-eléctrico en Noruega.

La meta es lograr un coche que carga la

batería durante la noche con autonomía pa-

ra los 50 o 80 Km. que hace cada día. Solo

irá a la gasolinera para viajes largos. La de-

pendencia de los combustibles fósiles será

muy pequeña.

Además de los fabricantes de automóviles

hay otra opinión: la del MIT(Massachussets

Institute of Technology). Desde hace 10 años

investiga en baterías.

Yet-Ming Chiang es el jefe del Departa-

mento. El portavoz de su Departamento,

Kevin Bullis, ha dicho recientemente que la

Li-ion puede doblar su capacidad, en térmi-

nos reales, en los próximos 10 años, y sin sa-

crificar la seguridad.

Según el MIT hay dos maneras de solucio-

nar el problema:

1. Mejor control de fabricación, evitando

partículas metálicas, que pueden producir un

cortocircuito.

2. Fabricar los electrodos con nuevas alea-

ciones y la llamada química del fosfato. En el

electrodo negativo se pueden usar aleacio-

nes basadas en el estaño y el silicio, que al-

macenan más litio por volumen, y mantienen

un buen nivel de seguridad. Mejorar el elec-

trodo positivo (carbono) también es posible,pero la explicación no es sencilla.

Durante el verano de 2008, DeWalt, de

Baltimore, venderá baterías Li-ion de 36V, sin

conexión a la red, para herramientas de po-

tencia.

Yet-Ming Chiang ha desarrollado una Li-

ion, que no solo es más potente, sino que se

recarga hasta el 90% de su capacidad en solo

5 minutos, y alarga la vida útil hasta 10 veces

más que las baterías convencionales. No te-

nemos información sobre el precio de venta.

Las Li-ion duplican la potencia, la densidad

de energía y el ciclo de vida de la níquel-hi-

druro; es más, pesan la mitad, menor tamaño

y menor costo.

El Departamento de Energía de EE UU in-

dica que la batería de los coches híbridos

debe durar 15 años. Esto se ha logrado para

las baterías Li-ion de satélites. Para vehículos

terrestres todavía no. No todo son ventajas

para la Li-ion.

El litio

En la tabla de los elementos, de Dimitri

Ivanovitch Mendeleïev, no encontramos nada

mejor para la batería que el litio.Tiene mu-

chos méritos, pero el mejor es su potencial

electroquímico: -3.05, el más negativo de to-

dos los elementos.

Tiene un electrón de valencia, que lo cede

con facilidad para formar un catión. Hay dos

isótopos de peso 6 y 7.

Con una densidad de 0.534 gcm3 es el más

ligero de los elementos sólidos. Flota en los

hidrocarburos. Expuesto al agua y al aire se

enciende y quema. Muy reactivo, incluso con

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El 7 de febrero pasado, en el aeródromo de Ocaña, voló el avión Boeing Phanton Works,pilotado por

Cecilio Barberán. La hélice estaba impulsada por una batería de Litio-ion, situada detrás del asiento del

piloto, y por una célula PEM (membrana de intercambio protónico), situada detrás de la hélice. El peso del

avión biplaza es de 870 kg. El avión alcanzó los 1 000 m de altitud. En la historia de la aviación es el primer

avión tripulado que vuela con propulsión híbrida de la batería Litio-ion y la célula de combustible PEM.


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el gas nitrógeno a temperatura ordinaria. Es

blando, y se puede cortar con un cuchillo.

Permite lograr baterías con alta densidad

energética. En nuestro planeta es relativa-

mente abundante en forma de compuestos.

Comercialmente se logra por electrólisis de

una mezcla de cloruro de litio y cloruro po-

tásico. El país más productor de litio es Chile.

Su precio en la actualidad no crea problemas,

pero si los vehículos incorporan la batería Li-

ion, la demanda mundial de litio será enorme,

y los precios se dispararán. Lo mismo que ya

ocurre con los combustibles fósiles.

La batería Li-ion

Debe su nombre al intercambio de iones Li

entre el electrodo de grafito y el electrodo de

oxido de cobalto, o manganeso. Como ya he-

mos indicado, el electrodo positivo es un óxi-

do de un metal de transición, normalmente

cobalto o manganeso, y el electrodo negativo

carbono. En ambos electrodos hay polvo de

litio. Durante la carga el cobalto es oxidado

de Co3+ a Co4+, y es reducido de Co4+ a Co3+

durante la descarga. El litio es un metal activo.

Principio electroquímico de la batería de

litio recargable:

1. Carga:

• Polo positivo: LiCoO2-> Li1-xCoO2 + xLi+

+ xe-

• Polo negativo: C + xLi+ + xe- -> Clix

• Reacción global: LiCoO2 + C -> Li1-

- xCoO2 + Clic

2. Descarga

• Polo positivo: Li 1-x CoO2 + xLi+ + xe ->

-> LiCoO2

• Polo negativo: Clic -> C + xLi+ + xe-

• Reacción global: Li1-x CoO2 + Clix -> Li-

- CoO2 + C

Su potencial promedio de 3.8V, unido a su

alta densidad de potencia, es un factor cinco

veces superior a la vieja batería de plomo y ácido

Tiene una excelente relación energía/peso.

Conseguirla ha costado una revolución en la

ciencia de materiales.

Concentrar tanta energía en tan poco vo-

lumen ha costado incendios e incluso alguna

explosión, debido a cortocircuitos internos,

pero las mejoras introducidas en los electro-

dos y en el electrolito han resuelto en gran

parte el problema.

Fueron los Bell Laboratorios, en la década

de los sesenta, los primeros en escoger al litio para una batería con ánodo de carbono.

Luego siguió el trabajo de John Goodenough,

que desarrolló el cátodo. La primera batería

Li-ion comercial fue fabricada por SONY en

1991.

Li-ion ha inundado la electrónica portátil

de todo tipo, y en 2007 ya la usaban algunos

vehículos eléctricos de Tesla Motors, Reva y

Kewet.

Los nuevos electrodos

Nadie duda de que las Li-ion de los próxi-

mos años serán mucho mejores que las ac-

tuales. Están investigando empresas muy po-

tentes, que apuestan fuerte.

Hay que aumentar la capacidad en ampe-

rios/hora, para alargar los Km. que recorre

un coche híbrido.

La corriente de descarga debe ser elevada,

para que la Li-ion sirva para las herramientas

de fuerza, sin cordón.

La vida útil, o el número de los ciclos car-

ga/descarga debe aumentar. Hay otras bate-

rías con mayor vida que la Li-ion. Para incor-

porar la Li-ion al automóvil hace falta una

vida útil de 15 años. Que sepamos ninguna

marca ofrece una vida tan prolongada.

El precio es elevado, y debe bajar.

Esas metas hay que conseguirlas. La histo-

ria de los progresos logrados con la Li-ion

animan mucho.

La nanotecnología abrirá muchas puertas

que antes estaban cerradas. La capacidad y

potencia de la batería depende de su resis-

tencia interna, y ésta depende de la superfi-

cie de los electrodos.

24 anales de mecánica y electricidad / mayo-junio 2008

Arriba, el ”La jamais contente”, un coche belga de 1899, pro-

pulsado con baterías de plomo.Abajo, un siglo más tarde,

el Tesla roadster, solo eléctrico.


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La nanotecnología, según el MIT, permite

disponer de una espuma de grafito, un elec-

trodo de una superficie mucho mayor que la

actual, que permitirá multiplicar por 5 la po-

tencia de las versiones actuales de Li-ion.

Al reducir el tamaño de las partículas de li-

tio, aumenta la potencia de la batería . Para

evitar el peligro de explosiónYet-Ming Chiang

recurre a materiales, que son pobres conduc- tores, y aplica un truco tomado de la industria

de semiconductores: dopar un material con

trazas de otro, para hacerlo conductor. Al re-

ducir el tamaño de las partículas dopadas lo-

gra que los iones escapen más fácilmente.

Es bien conocido que al aumentar la den-

sidad de energía en un pequeño volumen,

aumenta el riesgo de incendio e incluso de

explosión. Los accidentes ocurridos en los

últimos años con baterías Li-ion, fabricadas

por SONY para Dell y Apple laptops, confir-

man esta previsión.Es posible evitar el riesgo de explosión,

pero hasta ahora se ha hecho a costa de dis-

minuir la densidad de energía y con un au-

mento de coste de la batería.

Cuando se logre el electrodo de gran su-

perficie, la densidad de energía por centíme-

tro cúbico también aumentará. Este avance

nos trae otro problema:

No olvidamos que en 2006 SONY retiró

10 millones de baterías Li-ion, para alimentar

productos de Lenovo/IBM, Panasonic,Toshi-

ba, Hitachi, Fujitsu y Sharp, debido al riesgo

de incendio y explosión. Para ese nivel de

densidad energética ese riesgo se ha supera-

do, pero las próximas Li-ion tendrán una

densidad mayor. ¿Qué ocurrirá?

Se impone probar nuevas aleaciones para

los electrodos: el óxido de manganeso, el

hierro-fosfato (LiFePO4), etc.

Con la llegada de la nanotecnologia, ya en

febrero de 2005, Altairnano, de Reno, (Neva-

da, EE UU) anunció un electrodo de nano-

polvo de titanio, y prometía triplicar la poten-

cia de la Li-ion. Además, se podría cargar

totalmente en solo 6 minutos, pero con el in-

conveniente de reducir a la mitad la capacidad

de la batería. La potencia instantánea que su-

ministra la batería es una prestación diferente

de la capacidad medida en amperios/hora.

Altairnano afirma que su batería puede so-

portar hasta 20.000 ciclos de carga/descarga.

Eso equivale a unos 20 años de vida, cuatro

veces más que las Li-ion convencionales. No

puede incendiarse o explotar, porque no

contiene en el electrodo partículas de metal

recubiertas de grafito.

Los coches híbridos de Phoenix Motorcars

están probando esas nuevas baterías.

En marzo de 2005 Toshiba anunció una Li-

ion de carga rápida, basada en material nanopara los electrodos, de carga rápida, mayor

capacidad y vida más larga, que pondría a la

venta en 2007 para el sector industrial y del

automóvil.

En junio de 2006, investigadores de CNRS

de Francia crearon un material nanoestructu-

rado para electrodos de Li-ion, que aumenta

en varias veces la capacidad, disminuye el pe-

so y el volumen, y no aumenta los riesgos.

Poner en marcha el motor de un coche

supone una potencia de 1 kW, es decir, 100

amperios de la batería normal de plomo de

12 V. Las Li-ion de gran capacidad también

suministran los 100 amperios.

En el sector de baja potencia el triunfo de

la Li-ion es total.

En abril de 2008 se siguen vendiendo mu-

chas baterías convencionales, lo cual indica

que la Li-ion debe resolver todavía muchos

problemas para ser un fuerte competidor en

el sector de gran capacidad.

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Referencias

El coche de origen indio ”Reva”, aceptado por la Unión

Europea como cuatriciclo, accionado con batería de plomo.

No puede competir con las nuevas baterías.

la batería de litio-ion

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