Todo sobre las baterías de iones de litio

El luctuoso episodio del incendio en el departamento de la calle Ecuador aún resuena en la sociedad, no sólo por la trágica forma en que se perdieron cinco vidas de miembros de una misma familia, sino porque al comocer el motivo que originó el siniestro, la inmensa mayoría de las personas comprendió que un efecto de esas características puede ser efecto del acto fortuito de tener en casa algún artefacto que funciona con una batería recargable y que se encuentre afectada sin que nosotros lo notemos. Por eso, a muchos de nosotros no surge una de las preguntas centrales en esta problemática tan propia del tiempo actual. Entonces ¿qué son las baterías de litio y cómo funcionan?

Ingresamos ahora en un capítulo que nos brinde conocimientos acerca de qué están hechas estas baterías y cuáles son los beneficios en comparación con otras tecnologías de almacenamiento de fuentes de energía?

Todo sobre las baterías de iones de litio — Baterías de litio: ¿de qué están hechas y cuáles son sus ventajas y desventajas?

Propuestas por primera vez en la década de 1970 y producidas comercialmente por Sony en 1991, las baterías de litio ahora se utilizan en teléfonos móviles, aviones y automóviles. A pesar de varias ventajas que las han llevado a tener un éxito cada vez mayor en la industria energética, las baterías de iones de litio tienen algunos inconvenientes y son un tema que suscita mucha discusión.

Pero, ¿qué son exactamente las baterías de litio y cómo funcionan?

¿De qué están hechas las baterías de litio?

Una batería de litio está formada por cuatro componentes clave. Tiene el cátodo, que determina la capacidad y el voltaje de la batería y es la fuente de los iones de litio. El ánodo permite que la corriente eléctrica fluya a través de un circuito externo y cuando la batería está cargada, los iones de litio se almacenan en el ánodo.

El electrolito está formado por sales, disolventes y aditivos, y sirve como conducto de iones de litio entre el cátodo y el ánodo. Finalmente está el separador, la barrera física que mantiene separados el cátodo y el ánodo.

Pros y contras de las baterías de litio

Las baterías de litio tienen una densidad de energía mucho más alta que otras baterías. Pueden tener hasta 150 vatios-hora (WH) de energía por kilogramo (kg), en comparación con las baterías de hidruro de níquel-metal a 60-70 WH/kg y las de plomo ácido a 25 WH/kg.

También tienen una tasa de descarga más baja que otras, perdiendo alrededor del 5 % de su carga en un mes en comparación con las baterías de níquel-cadmio (NiMH) que pierden el 20 % en un mes.

Sin embargo, las baterías de litio también contienen un electrolito inflamable que puede provocar incendios de batería a pequeña escala. Fue esto lo que provocó la infame combustión del teléfono inteligente Samsung Note 7, que obligó a Samsung a desechar la producción y perder $ 26 mil millones en valor de mercado. Cabe señalar que esto no ha sucedido con las baterías de litio a gran escala.

Las baterías de iones de litio también son más caras de producir, ya que pueden costar casi un 40 % más que las baterías de níquel-cadmio.

Competidores

El ion de litio se enfrenta a la competencia de una serie de tecnologías de baterías alternativas, la mayoría de las cuales se encuentran en una etapa de desarrollo. Una de esas alternativas son las baterías alimentadas con agua salada.

En desarrollo por Aquion Energy, están formados por agua salada, óxido de manganeso y algodón para crear algo que se fabrica utilizando «materiales abundantes y no tóxicos y técnicas modernas de fabricación de bajo costo». Debido a esto, son las únicas baterías en el mundo que cuentan con la certificación cradle-to-cradle.

Similar a la tecnología de Aquion, la ‘Batería azul’ de AquaBattery utiliza una mezcla de agua salada y dulce que fluye a través de membranas para almacenar energía. Otros posibles tipos de baterías incluyen las baterías alimentadas con orina del Laboratorio de Robótica de Bristol y la batería de iones de litio de la Universidad de California Riverside que utiliza arena en lugar de grafito para el ánodo, lo que da lugar a una batería que es tres veces más potente que el estándar de la industria.

El problema mayor de este asunto y por lo que en la Argentina crece la preocupación ante el uso -especialmente- de vehículos eléctricos, cuya fuente de energía son las baterías de iones de litio.

La tesis de doctorado de un científico noruego, Mathias Henriksen, abrió la posibilidad de conocer en detalle la secuencia de la explosión de una batería de iones de litio, utilizando un sofisticado sistema de cámara de video ultra hd y de altísima velocidad, que permite descifrar en el instante deglosado en milisegundos, la acción inflamable.

Las grandes explosiones causadas por las baterías de iones de litio son poco frecuentes. Sin embargo, si se exponen a las condiciones incorrectas, existe una pequeña posibilidad de que se incendien o exploten. El proyecto de doctorado de Mathias Henriksen (USN) se centra en los gases combustibles que se liberan de una batería de iones de litio que funciona mal y la velocidad de la llama y la acumulación de presión de estas mezclas de gases. El estudio proporciona información sobre qué tipos de peligros de explosión y escenarios se pueden esperar en caso de falla de una batería de iones de litio, y puede ayudar a integrar la tecnología de manera más segura en sus diversas aplicaciones.

Una búsqueda rápida en YouTube o Google proporcionará varios cientos de videos e imágenes de baterías de iones de litio (Li-ion) que causan incendios y explosiones. Las baterías de iones de litio se utilizan en todo tipo de productos hoy en día, quizás más comúnmente en dispositivos electrónicos como computadoras portátiles, teléfonos celulares y cámaras, pero también son una opción atractiva para el almacenamiento de energía a gran escala, como en sistemas de red eléctrica y vehículos eléctricos. Desafortunadamente, si las baterías de iones de litio se exponen a las condiciones incorrectas, existe una pequeña posibilidad de que ocurra una falla violenta.

Todo sobre las baterías de iones de litio

Tal falla puede tener graves implicaciones para los grandes sistemas de baterías, y la investigación que arroje luz sobre estas consecuencias es esencial para implementar mejores medidas de seguridad.

Las baterías de iones de litio tienen todos los elementos necesarios para autosostener un incendio

Para comprender cómo una batería de iones de litio puede incendiarse o explotar, es necesario investigar cómo se construye la batería. Una batería de iones de litio almacena y libera su energía eléctrica a través de reacciones electroquímicas. Cuando se extrae/descarga energía eléctrica de la batería, los iones de litio se mueven de un electrodo al otro. Los electrodos están sumergidos en un líquido llamado electrolito, que permite el movimiento de iones y consiste en sal de litio y solventes orgánicos. Son estos disolventes orgánicos los que constituyen el principal peligro de incendio en las baterías de iones de litio. Además, el electrodo cargado positivamente (cátodo) de la batería contiene oxígeno, que puede liberarse si la batería se somete a tensiones específicas, por ejemplo, cortocircuito interno, calor excesivo y más. Esto significa que las baterías de Li-ion cuentan con todos los elementos necesarios para autosostener un incendio.

En un fuerte incidente térmico, la batería de iones de litio puede liberar parte del electrolito inflamable junto con varios gases inflamables/tóxicos como hidrógeno (H ₂ ), metano (CH ₄ ), monóxido de carbono (CO) y ácido fluorhídrico (HF) . La cantidad y la velocidad del gas liberado dependen de diferentes parámetros relacionados con la química de la batería y la cantidad de energía eléctrica almacenada. Una liberación de estos gases inflamables es lo que puede causar incendios y explosiones.

Borrador automático — Una imagen de una película de alta velocidad de una llama en la esfera de explosión

El estudio de llamas de rápido movimiento y ondas de choque.

El estudio de Henriksen se centra en los gases combustibles que se liberan de una batería de iones de litio que funciona mal, y la comprensión de los tipos de peligros de explosión y los escenarios que se pueden esperar en caso de una falla violenta.

Dice el científico:

«Para evaluar el peligro relacionado con una explosión, me concentro en la acumulación de presión y en la velocidad de la llama de la mezcla de gas combustible. En nuestro laboratorio disponemos de una esfera de explosión donde podemos estudiar todos estos mecanismos de explosión para diferentes tipos de mezclas inflamables. Mediante el uso de cámaras de alta velocidad para capturar películas de la llama en movimiento dentro de la esfera de explosión, podemos estudiar la llama en detalle. Tenemos cámaras de alta tecnología disponibles que pueden filmar con velocidades de fotogramas que van desde 50 a 5 000 000 fotogramas por segundo. Esto nos permite estudiar incluso llamas y ondas de choque que se mueven extremadamente rápido. Los resultados de estos experimentos se utilizarán como entradas y para la verificación de una herramienta de simulación, de modo que se puedan hacer predicciones de posibles consecuencias. Estas predicciones pueden ayudar a integrar la tecnología de iones de litio de manera más segura en sus diversas aplicaciones.

A pesar de que las grandes explosiones causadas por las baterías de iones de litio son poco frecuentes, sigue siendo esencial comprender las posibles consecuencias de las explosiones de nubes de vapor de iones de litio. Al comprender las consecuencias, se pueden implementar mejores medidas de seguridad. La importancia de este trabajo es que sienta las bases para un avance en las características de seguridad que pueden reducir o evitar daños a los materiales, la vida humana y el medio ambiente.