{"id":5821,"date":"2020-11-29T10:20:13","date_gmt":"2020-11-29T10:20:13","guid":{"rendered":"https:\/\/www.cientificos.pe\/?p=5821"},"modified":"2021-03-20T16:17:25","modified_gmt":"2021-03-20T16:17:25","slug":"que-son-las-baterias-de-litio","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.cientificos.pe\/?p=5821","title":{"rendered":"\u00bfPor qu\u00e9 son importantes las bater\u00edas de litio?"},"content":{"rendered":"

\u00bf<\/strong>Qu\u00e9 son las bater\u00edas de litio? <\/strong><\/span><\/h3>\n

El desarrollo de la sociedad moderna implica un gasto energ\u00e9tico considerable cuyo sostenimiento depender\u00e1 de la explotaci\u00f3n \"\"de nuevas formas de energ\u00eda renovables, as\u00ed como del dise\u00f1o de sistemas de almacenamiento de energ\u00eda m\u00e1s eficientes. En esto \u00faltimo, y con los continuos avances tecnol\u00f3gicos en dispositivos electr\u00f3nicos port\u00e1tiles y en veh\u00edculos el\u00e9ctricos, surge la pregunta: \u00bfCu\u00e1l es el rol de que juegan las bater\u00edas y qu\u00e9 tan importante son para solucionar el problema de la creciente demanda de almacenamiento de energ\u00eda?<\/p>\n

Una bater\u00eda o pila es un dispositivo compuesto por una o m\u00e1s celdas electroqu\u00edmicas[1]<\/a> individuales, compuestas a su vez por dos barras met\u00e1licas o electrodos, que est\u00e1n hechas a base de materiales conductores y que est\u00e1n inmersas en un l\u00edquido, llamado electrolito,[2]<\/a> capaz de conducir iones (\u00e1tomos con un desbalance de electrones). Este sistema es capaz de producir energ\u00eda el\u00e9ctrica por medio de reacciones qu\u00edmicas que suceden en su interior.<\/p>\n

Entonces, \u00bfqu\u00e9 tipo de electrodos y de electrolitos se deben seleccionar para almacenar la mayor cantidad de energ\u00eda?<\/p>\n

Una pila hecha en casa<\/strong><\/h3>\n
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Figura 1. Pila de lim\u00f3n<\/figcaption><\/figure>\n

La figura de la izquierda muestra el dise\u00f1o de un sistema de bater\u00edas casero hecho con limones[3]<\/a>. Esta \u201cpila de limones\u201d est\u00e1 compuesta por 3 celdas (o limones) individuales conectadas en serie. Cada celda est\u00e1 compuesta por 2 electrodos de metales diferentes (cobre y zinc) que est\u00e1n sumergidas en el \u00e1cido del lim\u00f3n, el mismo que act\u00faa como electrolito. A pesar de que la energ\u00eda producida por este circuito en serie es capaz de encender un diodo LED, este dispositivo no es lo suficientemente eficiente para ser usado, por ejemplo, en nuestros tel\u00e9fonos celulares<\/p>\n

Para ir m\u00e1s all\u00e1 en la b\u00fasqueda de una mejor bater\u00eda, debemos echar mano de algunas definiciones que trataremos de explicarlas de forma simple:<\/p>\n

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  1. La diferencia de potencial de la celda:<\/em> Antes que nada, definamos el concepto de potencial de reducci\u00f3n, que es una cantidad expresada en voltios (V) que mide la capacidad de un electrodo para ganar electrones. Algunos de estos potenciales est\u00e1n tabulados en tablas[4]<\/a>. En palabras simples, la diferencia de potencial electroqu\u00edmico de la celda es la diferencia entre los potenciales de reducci\u00f3n de las especies que intervienen en la reacci\u00f3n. Es posible tener una idea del valor de este voltaje midiendo con un mult\u00edmetro los bornes o extremos de una pila cargada. As\u00ed, una sola celda de la pila lim\u00f3n puede suministrar valores cercanos a los 0,9 V. Las pilas alcalinas[5]<\/a>, por ejemplo las tipo AA suministran t\u00edpicamente 1,5 V (pudiendo alimentar a un peque\u00f1o juguete o un control remoto), mientras que las actuales pilas de ion-litio[6]<\/a> suministran alrededor de 3,6-3,8 V (usadas en tel\u00e9fonos celulares). Las celdas se pueden apilar en serie para dar mayor voltaje (por ejemplo, los packs que se encuentran en una bicicleta el\u00e9ctrica est\u00e1n compuestos de varias bater\u00edas ion-litio pudiendo dar hasta 36 V).<\/li>\n
  2. La capacidad electroqu\u00edmica espec\u00edfica de la celda:<\/em> La capacidad de un electrodo es la cantidad m\u00e1xima de corriente el\u00e9ctrica que puede pasar por una porci\u00f3n de masa de electrodo en un determinado periodo de tiempo durante una reacci\u00f3n electroqu\u00edmica. La capacidad puede expresarse en amperios-hora por kilogramo (Ah\/kg). En una pila, la capacidad de la celda est\u00e1 limitada por el electrodo que posee la menor capacidad.<\/li>\n
  3. La energ\u00eda especifica de la bater\u00eda:<\/em> Se obtiene multiplicando las dos definiciones anteriores y se expresa en unidades de watios-hora por kilogramo (Wh\/kg). Este es un valor te\u00f3rico, que en la pr\u00e1ctica es dif\u00edcil de alcanzar. Sin embargo, a modo de comparaci\u00f3n, una celda de las bater\u00edas plomo-acido de autom\u00f3vil tienen energ\u00edas especificas de tan solo 35-40 Wh\/kg; mientras que las pilas ion-litio pueden alcanzar los 250 Wh\/kg, raz\u00f3n por la cual son ahora tan populares, m\u00e1s energ\u00e9ticas y m\u00e1s ligeras.<\/li>\n<\/ol>\n

    El litio y las bater\u00edas ion-litio<\/strong><\/h3>\n

    En la historia de las bater\u00edas, se experiment\u00f3 con diferentes tecnolog\u00edas pasando por el zinc-carbono, plomo-acido, n\u00edquel-cadmio, etc. En cada etapa, se lograba una mejora en la energ\u00eda espec\u00edfica (Wh\/kg, dispositivos m\u00e1s ligeros) y en la densidad de energ\u00eda (Wh\/litro, dispositivos m\u00e1s peque\u00f1os). Sin embargo, existe un material con el potencial de reducci\u00f3n m\u00e1s bajo de todos: el litio. Esto permite tomarlo como potencial de referencia (diremos cero voltios versus litio, 0 V vs.<\/em> Li\/Li+<\/sup>) y de esta forma, solo tendr\u00edamos que preocuparnos por encontrar otro material con un alto potencial y una gran capacidad (ver en figura 2, materiales positivos). El litio siempre es el electrodo negativo durante la carga de la bater\u00eda. Otra de sus ventajas es su gran capacidad (3860 Ah\/kg), aunque, como se ve en la figura, la capacidad de la celda siempre estar\u00e1 limitada m\u00e1s bien por el electrodo positivo que es de menor capacidad.[7]<\/a><\/p>\n

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    Figura 2. Clasificaci\u00f3n de diferentes materiales para electrodos en funci\u00f3n de su potencial y de su capacidad (Tarascon, J. M., Armand, M. Nature, 2001, 414, 359\u2013367).<\/figcaption><\/figure>\n

    Entre los materiales de electrodo positivo m\u00e1s usados en la actualidad podemos mencionar: los electrodos del tipo \u00f3xido de litio cobalto (LiCoO2<\/sub>, llamado LCO) con potenciales hasta 4.0 V y capacidades de 150 Ah\/kg. M\u00e1s recientemente, los \u00f3xidos de litio, n\u00edquel, manganeso y cobalto (LiNix<\/sub>Mny<\/sub>Coz<\/sub>O2<\/sub>, llamado NMC) alcanzan los 4.3 V y 200 Ah\/kg de capacidad. Estos materiales pueden insertar iones de litio en su estructura y de ah\u00ed su importancia.<\/p>\n

    Cuando juntamos estos materiales positivos con el litio tenemos la llamada bater\u00eda litio metal. Aqu\u00ed, es importante saber que para que este dispositivo funcione el electrolito debe contener una sal compuesta por iones de litio. Durante la carga, estos iones se convierten en metal que se deposita sobre el electrodo de litio. Durante la descarga, este litio depositado regresa al electrolito y luego se inserta en el electrodo positivo. Se espera de esta forma que este proceso de ida y vuelta (plateado y decapado sobre el electrodo de litio) sea reversible con una eficiencia muy cercana al 100 %.<\/p>\n

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    Figura 3. Crecimiento de dendritas<\/figcaption><\/figure>\n

    Aunque muy prometedor en teor\u00eda, en la pr\u00e1ctica casi todos los electrolitos sufren fuertes degradaciones en contacto prolongado con el litio una vez que se empieza a cargar la bater\u00eda. En segundo lugar, y al mismo tiempo, el dep\u00f3sito sobre el electrodo de litio no es 100 % eficiente y en la mayor\u00eda de los casos da lugar ya sea a la acumulaci\u00f3n de litio que no regresa al electrodo positivo. Por otro lado, se ha demostrado tambi\u00e9n que el litio se deposita en sitios espec\u00edficos donde crece en forma de ramificaciones llamadas dendritas que provocan cortocircuitos.<\/p>\n

    Para evitar este problema, el litio fue reemplazado por otros materiales que tambi\u00e9n pueden insertar iones de litio, pero que adem\u00e1s tienen un potencial suficientemente bajo. El m\u00e1s popular de estos materiales negativos es el grafito con un potencial de 0.2 V, que se empez\u00f3 a comercializar por Sony en 1991 dando lugar al nacimiento de la tecnolog\u00eda ion-litio, que es la que domina actualmente el mercado.<\/p>\n

    Dominar el litio metal o cambiar de tecnolog\u00eda<\/strong><\/h3>\n

    Teniendo en cuenta los nuevos compromisos energ\u00e9ticos y la promesa del uso extensivo de autom\u00f3viles el\u00e9ctricos en el nuevo milenio, se retom\u00f3 la idea de dise\u00f1ar bater\u00edas litio-metal que pueden ofrecer mucha m\u00e1s energ\u00eda que las ion-litio. Entre las promesas actuales se puede mencionar la bater\u00eda litio-azufre (650 Wh\/kg) y la bater\u00eda litio-aire (950 Wh\/kg), cuyo principio no explicaremos, pero solo recalcaremos que usan el litio como electrodo negativo y el azufre y el ox\u00edgeno del aire, respectivamente, como positivo.<\/p>\n

    Mientras tanto, una estrategia para detener el crecimiento de las dendritas de litio consiste en usar electrolitos hechos de pol\u00edmeros como el poli\u00f3xido de etileno (PEO), adem\u00e1s de s\u00f3lidos cer\u00e1micos como el oxinitruro de litio y f\u00f3sforo (LiPON), pero la conductividad de estos es por ahora muy baja y no resuelven todos los problemas.<\/p>\n

    Para terminar, mencionaremos que en la investigaci\u00f3n actual se plantean otros caminos que no pasan por el litio, de esta forma se tienen las bater\u00edas a base de ion-magnesio y las de ion-sodio. A pesar de esto, el litio es a\u00fan considerado por muchos cient\u00edficos como el Santo Grial de las bater\u00edas.<\/p>\n

    El autor<\/h3>\n

    \"\"Jorge Morales Ugarte es egresado de la especialidad de ingenier\u00eda f\u00edsica por la Universidad Nacional de Ingenier\u00eda. Realiz\u00f3 estudios de maestr\u00eda y doctorado en la Universidad Grenoble-Alpes de Francia, con \u00e9nfasis en la ciencia de los materiales y la electroqu\u00edmica. Actualmente contin\u00faa su investigaci\u00f3n en el \u00e1rea de bater\u00edas de litio en Espa\u00f1a.<\/p>\n

    <\/h3>\n

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    Referencias y Bibliograf\u00eda<\/h3>\n

    [1]<\/a> Electroqu\u00edmica, disciplina que estudia las transformaciones qu\u00edmicas producidas por corrientes el\u00e9ctricas y la producci\u00f3n de tales corrientes por medio de la transformaci\u00f3n de sustancias qu\u00edmicas (Electroqu\u00edmica moderna, J. Bockris & A. Reddy, Editorial Revert\u00e9).<\/p>\n

    [2]<\/a> Actualmente, existen tambi\u00e9n electrolitos s\u00f3lidos (pol\u00edmeros y cer\u00e1micos).<\/p>\n

    [3]<\/a> https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Lemon_battery<\/p>\n

    [4]<\/a> https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Standard_electrode_potential_(data_page)<\/p>\n

    [5]<\/a> Pila alcalina: electrodos de zinc y di\u00f3xido de manganeso, electrolito hidr\u00f3xido de potasio<\/p>\n

    [6]<\/a> No confundir con la bater\u00eda litio-metal, que usa exclusivamente el litio como electrodo negativo<\/p>\n

    [7]<\/a> En la literatura, tambi\u00e9n se suele hablar de materiales de c\u00e1todo (electrodo positivo) y materiales de \u00e1nodo (electrodo negativo).<\/p>\n

     <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    \u00bfQu\u00e9 son las bater\u00edas de litio? El desarrollo de la sociedad moderna implica un gasto energ\u00e9tico considerable cuyo sostenimiento depender\u00e1 de la explotaci\u00f3n de nuevas formas de energ\u00eda renovables, as\u00ed como del dise\u00f1o de sistemas de almacenamiento de energ\u00eda m\u00e1s eficientes. En esto \u00faltimo, y con los continuos avances tecnol\u00f3gicos en dispositivos electr\u00f3nicos port\u00e1tiles y […]<\/p>\n","protected":false},"author":9,"featured_media":5838,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[19,26,354],"tags":[344,343,345,346],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/5821"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/9"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=5821"}],"version-history":[{"count":15,"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/5821\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":5835,"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/5821\/revisions\/5835"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/5838"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=5821"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=5821"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.cientificos.pe\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=5821"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}