¿Cómo Funcionan las Baterías de Litio?

Las baterías de litio son increíblemente populares hoy en día. Las puedes encontrar en los ordenadores portátiles, los teléfonos móviles, iPods y en muchos otros dispositivos electrónicos que se usan habitualmente. Son algo tan común porque simplemente son las baterías recargables más energéticas que tenemos ahora mismo. Se ha hablado de ellas también en ciertos sectores como potencialmente peligrosas, ya que algunas de ellas se han incendiado dando un pequeño susto a su propietario.

Lo cierto es que no es nada común que esto ocurra – estas baterías pueden tener algún problema en un promedio de dos o tres baterías por cada millón – pero por supuesto algún problema pueden tener. Por lo tanto ¿qué hace a esta batería tan energética y popular? ¿Cómo se pueden incendiar? ¿Se puede evitar de alguna manera este problema¿ ¿Se pueden hacer durar más?

Lo primero que veremos es porque las baterías de litio son tan populares. Tienen algunas ventajas que las hacen competir bien con otras tecnologías existentes. Son generalmente mucho más ligeras que otros tipos de baterías recargables del mismo tamaño. Los electrodos de una batería de litio están hechos de litio y carbón. El litio es también un elemento altamente reactivo, lo cual significa que mucha energía es almacenada en su materia.

Esto se traduce en una alta y densa energía para las baterías de este tipo. Para tener una perspectiva de cómo de densa es esta energía, una batería de litio normal puede almacenar 150 vatios a la hora de electricidad en un kilogramo de batería. Un paquete de baterías de metal de níkel puede almacenar cien, aunque suele ser algo menos. Una de ácido solo almacena 25 por kilo, por lo que podemos hacernos una idea de la gran diferencia que hay.

Otra de las ventajas de estas baterías es que mantienen muy bien la carga. Un paquete de baterías de litio pierde solo un cinco por ciento de su carga al mes, comparado con un veinte por ciento de pérdidas de otro tipo de baterías. No hace falta descargarlas del todo antes de volver a recargarlas, como se haría con otras baterías químicas.

De hecho, pueden manejar cientos de ciclos de cargas y descargas. Por supuesto, esto no significa que las baterías de litio no tienen fallos. Tienen también algunas desventajas, como veremos a continuación.

Uno de los problemas que tienen es que se empiezan a degradar según dejan la fábrica. Solo durarán dos o tres años desde la fecha en que se fabricaron, independientemente de si las usas o no. Son muy sensibles a las altas temperaturas, y el calor causa que se degraden mucho más rápido que las normales. Otra cosa que hay que tener en cuenta es que una batería de litio completamente descargada, ya no vale.

La gestión de paquetes grandes de baterías de litio necesitan un programa especial para gestionarlas. Esto hace que sean más caras que otros modelos. Hay una remota posibilidad de que si una batería de litio falla, se ponga en llamas. Esto puede ser debido a los componentes químicos que tienen en su interior.

La composición de una batería de litio

Los paquetes de baterías de litio vienen en todas las formas y tamaños, pero todas se parecen en su interior. Si cogieras una de estas baterías de litio y la abrieras para ver su interior  (algo que no es recomendable porque podría incendiarse) te encontrarías los siguientes elementos: Unos cilindros de litio, que pueden ser cilíndricos y que son exactamente iguales a las baterías de tipo AA, o pueden ser prismáticas, lo cual significa que son o cuadradas o rectangulares.

También tienen uno o más sensores para monitorizar la temperatura de la batería, un convertido de voltaje y un circuito de regulación para mantener los niveles de seguridad de la corriente y el voltaje. Un conector enfundado que permite que la energía y el flujo de información salgan y entre del paquete de baterías. Un sensor de voltaje que monitoriza la capacidad de cada uno de los cilindros en el paquete. Por último, un monitor de estado de carga, que es un pequeño ordenador que maneja todo el proceso de carga lo más rápido posible.

Si el paquete de baterías se calienta demasiado durante su uso, el ordenador cerrar el flujo de energía para intentar enfriar todo el dispositivo. Si por ejemplo dejas tu ordenador portátil dentro del coche con un calor extremo he intentas usarlo, el ordenador puede impedir que lo enciendas hasta que coja una temperatura adecuada de nuevo. Si los cilindros se han descargado por completo, el paquete de baterías dejará de funcionar porque los cilindros ya no sirven.

También puede hacer un seguimiento de los ciclos de carga y descarga, y enviar la información al exterior, por lo que la batería del portátil te puede decir cuanto le queda de energía. Lo cierto es que es un pequeño ordenador bastante sofisticado, y saca su energía de las baterías. Este es uno de los motivos por lo que las baterías de litio pierden un cinco por ciento de su energía al mes cuando no esta haciendo nada.

Como en la mayoría de baterías, tienen una envoltura de metal. El uso de metal es particularmente importante en este caso porque la batería está presurizada. Esta armazón de metal tiene algún tipo de agujero de ventilación sensitiva a la presurización. Si la batería se llega a poner tan caliente que pueda haber un riesgo de explosión por la sobre presión, esta abertura liberará la presión extra. Probablemente la batería ya no se pueda usar después de ocurrir esto, por lo tanto debemos tener cuidado. La abertura está ahí solo por motivos de seguridad. Otro sistema de seguridad es el PTC (coeficiente de temperatura positivo) que es un conmutador que se supone que debe mantener la batería a la temperatura ideal.

La carcasa de metal contiene tres capas que están presionadas una contra otra, y que son el electrodo positivo, el electrodo negativo y el separador. Dentro de la carcasa, estas tres láminas están sumergidas en una sustancia orgánica que actúa como un electrolito. La sustancia más utilizada es el éter. El separador es una lámina muy fina hecha de plástico micro perforado. Como el nombre indica, separa los electrodos positivos del negativo mientras deja pasar los iones a través. El electrón positivo está hecho de óxido de cobalto de litio y el negativo de carbón. Cuando la batería se carga, los iones de litio se mueven a través del electrolito desde el electrodo positivo al electrodo negativo, y se añade al carbón. Durante la descarga, los iones de litio hacen el recorrido contrario.

El movimiento de estos iones de litio ocurre a una temperatura elevada, por lo que cada cilindro produce 3,7 voltios. Esto es mucho mayor que las típicas pilas alcalinas que puedes comprar en una tienda, y también permite que las baterías de litio sean más compactas en dispositivos como los teléfonos móviles.

Duración de la batería de litio

Las sustancias químicas en el ión de litio prefieren las descargas parciales a las descargas totales, por lo que se debe evitar que la batería sea drenada hasta el final de energía. Al no tener una “memoria” estas sustancias químicas, no dañas el pack de baterías con una descarga parcial. Si el voltaje de una de los cilindros cae por debajo de un cierto nivel, puede quedar completamente inservible. Debemos saber también que las baterías de litio envejecen. Solo suelen durar de dos a tres años, incluso si están en una estantería sin ser usadas. Por lo tanto, no “evites” usar la batería pensando que nos durará muchos años más. Por otro lado, si estás comprando un nuevo pack de baterías de litio, hay que asegurarse de que son realmente nuevas. Si ha estado en una estantería de la tienda por un año, no durará lo que nos esperamos. Las fechas de fabricación son importantes en este aspecto.

Otra cosa que debemos realmente que tener en cuenta, es que hay que evitar el calor. Esto hace que la batería se degrade. Hablando de calor, esto nos lleva al siguiente punto de esta parte del artículo. Ahora que sabemos como mantener la batería de litio, veamos el porqué pueden llegar a explotar. Si la batería se caliente lo suficiente para encender el electrolito, verás como se incendia la batería. Hay video y fotos en Internet que muestran lo serios que pueden ser estos incendios, aunque por fortuna no son tan usuales ni frecuentes. Cuando algo así ocurre, normalmente es causado por un corto en el interior de la batería. Los cilindros en las  baterías de litio contienen un separador que mantiene los electrodos positivo y negativo separados.

Si esta finísima lámina se agujerea y los electrodos se tocan, la batería se caliente muy deprisa. Puede que hayas experimentado la cantidad de calor que una batería puede producir si te has metido una pila de 9 voltios en el bolsillo. Si una moneda hace un corto entre los dos terminales, la batería se caliente exageradamente. En un fallo del separador, esta clase de cortocircuito ocurre también de la batería. Al ser tan energéticas, se calienten mucho. El calor causa que se libere la sustancia orgánica usada en el electrolito, y el calor (o una chispa cercana) puede hacer que se encienda.

Una vez que esto ocurre dentro de uno de los cilindros, el calor del fuego se extiende en forma de cascada a los otros cilindros y todo el paquete se ve envuelto en llamas. Es importante saber que este tipo de fuegos es muy raro. Aun así, solo hace falta unos pocos fuegos de este tipo y los medios de comunicación para hacer que todo el mundo se vuelva paranoico.