miércoles, 29 de junio de 2016

LA BATERÍA (recargable) DE POLÍMERO DE LITIO


Las baterías de iones de litio se diferencian por los diversos materiales catódicos: entre ellos óxidos de cobalto o manganeso y fosfato de hierro. Las de óxido de litio cobaltado, tienen la ventaja de una muy alta densidad de energía y la desventaja de presentar delicados problemas de seguridad. Específicamente las recargables basadas en litio, se difieren por su composición química: iones de litio (LI-Ion) y polímeros de litio (Li-Po), las cuales generan una diferencia de potencial de 3,6 V y 3,7 V; respectivamente.

En estas celdas de energía eléctrica recargables (baterías secundarias o “pilas”), el cátodo contiene litio; mientras que para el ánodo se utiliza carbón o grafito. En ellas el litio no existe en forma metálica o de aleación metálica alguna (ni debe de existir). Estos dispositivos se conocen como baterías de Iones de Litio, para diferenciarlas de aquellas baterías que contienen litio metálico (o aleaciones de litio) en el ánodo.

Toda celda de energía eléctrica recargable (un acumulador, batería o pila) están basadas en un proceso químico reversible de reducción y oxidación (redox). Uno de los componentes se oxida (gana electrones) y el otro se reduce (pierde electrones); en el proceso los componentes no se “consumen” o desgastan, solo cambian se potencial electroquímico y pueden retornar a su estado original mediante el suministro de una corriente aportadora de electrones.

Dependiendo del tipo de dispositivo, se asume que la polaridad del cátodo puede ser positiva o negativa. En el caso de los dispositivos que proporcionan energía (pilas o baterías) el cátodo es el electrodo positivo. En una celda electro-química, el conductor es el electrolito (líquido o gel; nunca un metal), en él pueden coexistir iones negativos y positivos, que se desplazan en sentidos opuestos. Por convenio universal se adopta que el sentido de la corriente sea del ánodo al cátodo, lo que es lo mismo, del polo positivo al negativo (esto ocurre a través de un conductor externo, pero en el interior de la celda (cuando la descarga) los iones viajan del cátodo al ánodo (por el conductor metálico exterior viajarían los electrones y una “corriente de huecos”; generada por los espacios vacíos dejados por electrones que viajan en sentido contrario). Para una mejor comprensión de esta convención, se entiende que el polo positivo de un dispositivo acumulador, es aquel por donde salen los electrones hacia el circuito externo; la polaridad positiva de los elementos externos se obtiene observando el polo por donde le ingresa la corriente.

El proceso de carga y de descarga se realiza mediante la migración de iones de litio en el interior de la celda, entre el cátodo y el ánodo y viceversa (dopaje y de-dopaje); además del intercambio externo de electrones. Durante la carga el litio es de-dopado del cátodo (consistente de un compuesto que contiene litio) dopando el ánodo (compuesto de capas intermedia de carbono). Cuando la descarga, ocurre el proceso contrario, las capas de compuesto carbónico del ánodo se de-dopan del litio; dopando al cátodo. En estas celdas eléctricas generalmente se utiliza LiCoO2 (litio cobaltado) en el cátodo y carbón o grafito en el ánodo.

El potencial o fuerza electromotriz de la celda se puede estimar mediante el conocimiento del potencial electroquímico de los electrodos. La diferencia entre los potenciales de reducción de cada electrodo sería el potencial entre los polos de la pila:  Epila = Ecátodo – Eánodo. En el caso de las baterías de polímero de litio, cada celda tiene un voltaje nominal de 3,7 V (un máximo 4,2 V y un mínimo 3,0 V en las de ánodo de grafito y cátodos litio cobaltado: 2,5V en las de ánodo sólidos de carbón).

Característica del proceso de carga: En las celdas Li-po, el potencial del cátodo está determinado por la cantidad de litio de-dopado del material activo utilizado para el cátodo (generalmente LiCoO2). Pero si una celda es cargada sin considerar el límite superior del voltaje de carga, se migran necesariamente más iones de litio al ánodo y se desestabiliza el performance de la batería; lo que se considera un riesgo de seguridad para su funcionamiento. Por ello es que la carga de este tipo de baterías debe realizarse a voltaje constante de carga y un estricto control de la corriente de carga.  El voltaje de carga NO DEBE SUPERAR LOS 4,2 Voltios.

Característica del proceso de descarga: El voltaje de descarga nominal, inicialmente es aproximadamente 4,0 V y luego permanece en 3,7 V para baterías de ánodo de grafito (3,6 V para las de ánodo de carbón); valor que supera por tres a las baterías de níquel cadmio y níquel metal hidruro.  Las baterías de iones de litio no están sujetas a los efectos de “memoria” como en el caso de las baterías recargables alcalinas. El ciclo de carga/descarga gradualmente declina la capacidad (potencialidad para retener la carga); en la gran mayoría de las disponibles en el mercado actualmente, este proceso puede repetirse más de 500 veces. Si se mide el voltaje de descarga de estas baterías de iones de litio, se puede estimar fácilmente la capacidad de energía remanente en el dispositivo.

Extremos del proceso de Carga y Descarga: Durante el proceso de carga, los iones de litio son removidos del cátodo y el voltaje de la celda (la fuerza electromotriz) gradualmente incrementa; pero si la cantidad de iones de litio que alcanzan llegar al ánodo, exceden la capacidad del ánodo para asimilarlos o adaptarse a ellos, se precipita litio metálico, Depositándose en la superficie del ánodo, si este depósito de litio metálico aumenta, crece como ramas que podrían penetrar la película separadora alcanzando el cátodo; lo que implicaría un corto circuito interno. La sobre carga reduce la capacidad de la celda, proceso que culmina en su inutilización; haciendo que el material activo del cátodo y que el electrolito disminuya en sus propiedades; para evitar estas consecuencias es necesaria mantener una tensión de referencia. Para garantizar que en el proceso de carga no se supere la referencia, un circuito de protección es incorporado en cada batería, para controlar cada una de las celdas; si aumenta la tensión por encima de la referencia establecida un dispositivo c-FET (transistor de efecto de campo utilizado para regular la carga) se apaga finiquitando el proceso de carga. De la misma manera, un circuito monitorea el voltaje de cada celda para evitar la sobre-descarga, cuando el voltaje decae hasta el valor predeterminado (3,0 V en las Li-po), un d-FET (FET regulador de descarga) se apaga, desconectando la celda y terminando la descarga. Este control es necesario porque si el voltaje decae bajo del valor pre-configurado, el cobre utilizado como material colector de corriente, comienza a disolverse y luego, durante la carga, este cobre se precipitará sobre la superficie del cátodo lo que también provocaría un corto circuito interno. Si la batería culmina en un cortocircuito, una gran cantidad de corriente fluirá en su interior, destruyendo la batería. Para prevenir esto, un circuito protector ante corto circuitos se apaga. Los paquetes de baterías, también contienen un termistor que evita la carga o descarga si la temperatura se encuentra por sobre de un valor permitido. Esto evita la reacción de los materiales activos con el electrolito, lo que puede causar en el interior de las celdas una reacción exotérmica anormal. Un circuito redundante de sobre protección ante estos excesos, activa un fusible que evita que la celda pueda ser nuevamente utilizada ¡nunca más!


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