¿Cómo funcionan las baterías de iones de litio?

2019-09-24 18:06:42

La era de los teléfonos inteligentes tiene poco más de una década, pero las computadoras de bolsillo en el centro de esa transformación social solo son realmente posibles debido a otra tecnología: las baterías de iones de litio.

Vendido por primera vez comercialmente en 1991 por Sony para sus videocámaras, este tipo de baterías son buenas para mucho más que la electrónica de consumo portátil. Están en el centro de otras dos revoluciones tecnológicas con el poder de transformar la sociedad: la transición de motores de combustión interna a vehículos eléctricos, y el cambio de una red eléctrica alimentada por combustibles fósiles a generadores de energía renovable que almacenan electricidad excedente en baterías para un uso futuro.

Entonces, ¿cómo funcionan estas baterías? Los científicos e ingenieros han pasado carreras enteras tratando de construir mejores baterías y todavía hay misterios que no entendemos completamente. La mejora de las baterías requiere que los químicos y físicos observen los cambios a nivel atómico, así como también ingenieros mecánicos y eléctricos que puedan diseñar y ensamblar los paquetes de baterías que alimentan los dispositivos. Como científico de materiales en el Laboratorio Nacional de la Universidad de Washington y el Pacífico Noroeste, mi trabajo ha ayudado a explorar nuevos materiales para baterías de litio-aire, baterías de magnesio y, por supuesto, baterías de iones de litio.

Consideremos un día en la vida de dos electrones. Llamaremos a uno de ellos Alex y tiene un amigo llamado George.

Anatomía de la batería

Cómo se ve una batería alcalina AA estándar en el interior. Titular principal / Wikimedia Commons

Alex vive dentro de una batería alcalina AA estándar, como en su linterna o control remoto. Dentro de una batería AA, hay un compartimento lleno de zinc y otro lleno de óxido de manganeso. En un extremo, el zinc solo cuelga débilmente sobre electrones como Alex. En el otro extremo, el óxido de manganeso atrae poderosamente los electrones hacia sí mismo. En el medio, para evitar que los electrones pasen directamente de un lado a otro, hay un trozo de papel empapado en una solución de potasio y agua, que coexiste como iones de potasio positivos e iones de hidróxido negativos.

Cuando la batería se coloca en un dispositivo y se enciende, se completa el circuito interno del dispositivo. Alex sale del zinc, atraviesa el circuito y entra en el óxido de manganeso. En el camino, su movimiento alimenta el dispositivo, la bombilla o lo que esté conectado a la batería. Cuando Alex se va, no puede volver: el zinc que ha perdido un electrón se une con el hidróxido para formar óxido de zinc. Este compuesto es extremadamente estable y no puede convertirse fácilmente en zinc.

En el otro lado de la batería, el óxido de manganeso gana un átomo de oxígeno del agua y deja iones de hidróxido para equilibrar el hidróxido que consume el zinc. Una vez que todos los vecinos de Alex abandonaron el zinc y se trasladaron al óxido de manganeso, la batería se agotó y es necesario reciclarla.

Lithium-ion advantages

Comparemos esto con George, que vive en una batería de iones de litio. Las baterías de iones de litio tienen los mismos componentes básicos que las pilas alcalinas AA, con algunas diferencias que confieren grandes ventajas.

George vive en grafito, que es aún más débil que el zinc al retener electrones. Y la otra parte de su batería es óxido de litio y cobalto, que extrae electrones mucho más poderosamente que el óxido de manganeso, lo que le da a su batería la capacidad de almacenar mucha más energía en la misma cantidad de espacio que una batería alcalina. La solución que separa el grafito y el óxido de litio y cobalto contiene iones de litio cargados positivamente, que forman y rompen fácilmente enlaces químicos a medida que la batería se descarga y recarga.

A medida que los electrones se mueven fuera de la batería, los iones de litio se mueven dentro para mantener el equilibrio eléctrico. Islam and Fisher, Chemical Society Reviews, 2014., CC BY

Esas reacciones químicas son reversibles, a diferencia de la formación de óxido de zinc, que es lo que permite que los electrones y los iones de litio fluyan de un lado a otro durante muchos ciclos de carga y descarga.

Sin embargo, este proceso no es 100% eficiente: todas las baterías eventualmente pierden su capacidad de retener energía. Sin embargo, la familia de químicos de iones de litio ha sido lo suficientemente poderosa como para dominar la tecnología de baterías en la actualidad.