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Batería de iones de litio - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell

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Batería de iones de litio

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¿Es el ion de litio la batería ideal?

Durante muchos años, el níquel-cadmio había sido la única batería adecuada para equipos portátiles, desde comunicaciones inalámbricas hasta informática móvil. El hidruro de níquel-metal y el ión de litio surgieron a principios de la década de 1990, luchando cara a cara para ganar la aceptación del cliente. Hoy en día, el ión de litio es la química de batería de mayor crecimiento y más prometedora.

La batería de iones de litio

El trabajo pionero con la batería de litio comenzó en 1912 bajo GN Lewis, pero no fue hasta principios de la década de 1970 cuando las primeras baterías de litio no recargables se comercializaron. El litio es el más ligero de todos los metales, tiene el mayor potencial electroquímico y proporciona la mayor densidad de energía para el peso.

Los intentos de desarrollar baterías de litio recargables fallaron debido a problemas de seguridad. Debido a la inestabilidad inherente del litio metálico, especialmente durante la carga, la investigación cambió a una batería de litio no metálica que utiliza iones de litio. Aunque es ligeramente más bajo en densidad de energía que el metal de litio, el ion de litio es seguro, siempre que se cumplan ciertas precauciones al cargar y descargar. En 1991, Sony Corporation comercializó la primera batería de iones de litio.

Otros fabricantes hicieron lo mismo.
La densidad de energía del ion de litio es típicamente el doble que la del níquel-cadmio estándar. Hay potencial para mayores densidades de energía. Las características de carga son razonablemente buenas y se comportan de manera similar al níquel-cadmio en términos de descarga. El alto voltaje de celda de 3.6 voltios permite diseños de paquetes de baterías con una sola celda. La mayoría de los teléfonos móviles actuales funcionan con una sola célula. Un paquete a base de níquel requeriría tres celdas de 1.2 voltios conectadas en serie.
El ion de litio es una batería de bajo mantenimiento, una ventaja que la mayoría de las otras químicas no pueden reclamar.

No hay memoria y no se requiere un ciclo programado para prolongar la vida útil de la batería. Además, la autodescarga es menos de la mitad en comparación con el níquel-cadmio, lo que hace que el ion de litio sea muy adecuado para las aplicaciones modernas de medidores de combustible. Las células de iones de litio causan poco daño cuando se eliminan.
A pesar de sus ventajas generales, el ion de litio tiene sus inconvenientes. Es frágil y requiere un circuito de protección para mantener una operación segura. Integrado en cada paquete, el circuito de protección limita el voltaje pico de cada celda durante la carga y evita que el voltaje de la celda caiga demasiado bajo en la descarga. Además, la temperatura de la celda se controla para evitar temperaturas extremas. La corriente máxima de carga y descarga en la mayoría de los paquetes está limitada a entre 1C y 2C. Con estas precauciones establecidas, la posibilidad de que se produzca un revestimiento de litio metálico debido a una sobrecarga se elimina prácticamente.
El envejecimiento es una preocupación con la mayoría de las baterías de iones de litio y muchos fabricantes guardan silencio sobre este tema.

Se nota un cierto deterioro de la capacidad después de un año, ya sea que la batería esté en uso o no. La batería falla con frecuencia después de dos o tres años. Cabe señalar que otras químicas también tienen efectos degenerativos relacionados con la edad. Esto es especialmente cierto para el hidruro de níquel-metal si se expone a altas temperaturas ambientales. Al mismo tiempo, se sabe que los paquetes de iones de litio han servido durante cinco años en algunas aplicaciones.
Los fabricantes mejoran constantemente el ion de litio. Se introducen combinaciones químicas nuevas y mejoradas cada seis meses más o menos. Con un progreso tan rápido, es difícil evaluar qué tan bien envejecerá la batería revisada.

El almacenamiento en un lugar fresco ralentiza el proceso de envejecimiento del ión de litio (y otras sustancias químicas). Los fabricantes recomiendan temperaturas de almacenamiento de 15 ° C (59 ° F). Además, la batería debe cargarse parcialmente durante el almacenamiento. El fabricante recomienda una carga del 40%.
La batería de iones de litio más económica en términos de relación costo-energía es la 18650 cilíndrica (el tamaño es de  18 mm x 65,2 mm ). Esta celda se utiliza para la informática móvil y otras aplicaciones que no requieren geometría ultradelgada. Si se requiere un paquete delgado, la celda prismática de iones de litio es la mejor opción. Estas células tienen un costo más alto en términos de energía almacenada.

Ventajas

  • Alta densidad de energía: potencial para capacidades aún mayores.
  • No necesita cebado prolongado cuando es nuevo. Una carga regular es todo lo que se necesita.
  • Autodescarga relativamente baja: la autodescarga es menos de la mitad que las baterías a base de níquel.
  • Bajo mantenimiento: no se necesita descarga periódica; No hay memoria.
  • Las celdas especiales pueden proporcionar una corriente muy alta a aplicaciones como herramientas eléctricas.

Limitaciones

  • Requiere circuito de protección para mantener el voltaje y la corriente dentro de límites seguros.
  • Sujeto al envejecimiento, incluso si no está en uso: el almacenamiento en un lugar fresco con una carga del 40% reduce el efecto de envejecimiento.
  • Restricciones de transporte: el envío de grandes cantidades puede estar sujeto a control reglamentario. Esta restricción no se aplica a las baterías de mano personales.
  • Costoso de fabricar: aproximadamente un 40 por ciento más costoso que el níquel-cadmio.
  • No completamente maduro: los metales y los productos químicos cambian continuamente.

La batería de polímero de litio

El polímero de litio se diferencia de los sistemas de baterías convencionales en el tipo de electrolito utilizado. El diseño original, que se remonta a la década de 1970, utiliza un electrolito de polímero sólido seco. Este electrolito se asemeja a una película de plástico que no conduce electricidad, pero permite el intercambio de iones (átomos cargados eléctricamente o grupos de átomos). El electrolito polimérico reemplaza al separador poroso tradicional, que está empapado con electrolito.

El diseño de polímero seco ofrece simplificaciones con respecto a la fabricación, robustez, seguridad y geometría de perfil delgado. Con un grosor de celda que mide tan solo un milímetro (0.039 pulgadas), los diseñadores de equipos se quedan con su propia imaginación en términos de forma, forma y tamaño.

Desafortunadamente, el polímero de litio seco sufre de baja conductividad. La resistencia interna es demasiado alta y no puede proporcionar las explosiones actuales necesarias para alimentar dispositivos de comunicación modernos y hacer girar los discos duros de los equipos informáticos móviles. Calentar la celda a 60 ° C (140 ° F) y más aumenta la conductividad, un requisito que no es adecuado para aplicaciones portátiles.

Para comprometer, se ha agregado un poco de electrolito gelificado. Las celdas comerciales usan una membrana de separador / electrolito preparada a partir del mismo separador de polipropileno o polietileno poroso tradicional relleno con un polímero, que gelifica al llenar con el electrolito líquido. Por lo tanto, las células comerciales de polímero de iones de litio son muy similares en química y materiales a sus contrapartes de electrolitos líquidos.

El polímero de iones de litio no ha captado tan rápido como algunos analistas esperaban. Su superioridad a otros sistemas y los bajos costos de fabricación no se han realizado. No se logran mejoras en el aumento de capacidad; de hecho, la capacidad es ligeramente menor que la de la batería estándar de iones de litio. El polímero de iones de litio encuentra su nicho de mercado en geometrías delgadas como obleas, como baterías para tarjetas de crédito y otras aplicaciones similares.

Ventajas

  • Perfil muy bajo: las baterías que se parecen al perfil de una tarjeta de crédito son factibles.
  • Factor de forma flexible: los fabricantes no están sujetos a formatos de celda estándar. Con un volumen alto, cualquier tamaño razonable se puede producir económicamente.
  • Ligero: los electrolitos gelificados permiten un embalaje simplificado al eliminar la carcasa metálica.
  • Seguridad mejorada: más resistente a la sobrecarga; Menos posibilidades de fuga de electrolitos.

Limitaciones

  • Menor densidad de energía y disminución del recuento de ciclos en comparación con el ion de litio. Caro de fabricar.
  • No hay tamaños estándar. La mayoría de las células se producen para mercados de consumo de gran volumen.
  • Mayor relación costo-energía que el ion de litio

Restricciones en el contenido de litio para viajes aéreos.

Los viajeros aéreos hacen la pregunta: "¿Cuánto litio en una batería se me permite llevar a bordo?" Distinguimos entre dos tipos de baterías: litio metálico y litio-ion.
La mayoría de las baterías de metal de litio no son recargables y se usan en cámaras de película. Los paquetes de iones de litio son recargables y alimentan computadoras portátiles, teléfonos celulares y videocámaras. Ambos tipos de baterías, incluidos los paquetes de repuesto, se permiten como equipaje de mano, pero no pueden exceder el siguiente contenido de litio:

- 2 gramos para baterías de metal de litio o de aleación de litio
- 8 gramos para baterías de iones de litio

Las baterías  de iones de litio que excedan los 8 gramos pero no más Se pueden transportar más de 25 gramos en el equipaje de mano si están protegidos individualmente para evitar cortocircuitos y están limitados a dos baterías de repuesto por persona.

¿Cómo sé el contenido de litio de una batería de iones de litio? Desde una perspectiva teórica, no hay litio metálico en una batería de iones de litio típica. Sin embargo, hay un contenido de litio equivalente que debe considerarse. Para una celda de iones de litio, esto se calcula a 0.3 veces la capacidad nominal (en amperios-hora).

Ejemplo:  una celda de iones de litio 2Ah 18650 tiene 0,6 gramos de contenido de litio. En una batería típica de computadora portátil de 60 Wh con 8 celdas (4 en serie y 2 en paralelo), esto agrega hasta 4.8g. Para mantenerse por debajo del límite de 8 gramos de la ONU, la batería más grande que puede traer es de 96 Wh. Este paquete podría incluir celdas de 2.2Ah en una disposición de 12 celdas (4s3p). Si se usara la celda 2.4Ah, el paquete tendría que limitarse a 9 celdas (3s3p).

Restricciones en el envío de baterías de iones de litio

  • Cualquier persona que envíe baterías de iones de litio a granel es responsable de cumplir con las normas de transporte. Esto se aplica a los envíos nacionales e internacionales por tierra, mar y aire.
  • Las celdas de iones de litio cuyo contenido de litio equivalente excede 1,5 gramos u 8 gramos por batería deben enviarse como "material peligroso misceláneo de Clase 9". La capacidad de la celda y el número de celdas en un paquete determinan el contenido de litio.
  • Se da una excepción a los paquetes que contienen menos de 8 gramos de contenido de litio. Sin embargo, si un envío contiene más de 24 celdas de litio o 12 paquetes de baterías de iones de litio, se requerirán marcas especiales y documentos de envío. Cada paquete debe estar marcado que contiene baterías de litio.
  • Todas las baterías de iones de litio deben probarse de acuerdo con las especificaciones detalladas en UN 3090, independientemente del contenido de litio (Manual de Pruebas y Criterios de la ONU, Parte III, subsección 38.3). Esta precaución protege contra el envío de baterías defectuosas.
  • Las celdas y las baterías deben estar separadas para evitar cortocircuitos y empaquetadas en cajas fuertes.

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