¿Qué son las baterías?

Por Ximena Montaño

¿Una batería almacena o genera nueva eléctricidad?

La batería o pila es un dispositivo que almacena electricidad. Las baterías descargan la electricidad que les ha sido cargada pero no generan nueva electricidad. La energía con la que se carga una batería puede venir de una central eléctrica que funciona con combustibles fósiles o de una planta fotovoltaíca.

¿Qué tipo de baterías existen?

Las baterías se clasifican en primarias o desechables y secundarias o recargables.

Las baterías primarias producen energía eléctrica en un solo ciclo y una vez que se descargan ya no sirven y deben ser desechadas. Esto provoca impactos negativos para el medio ambiente por la toxicidad de los elementos químicos que la componen.

Las baterías recargables pueden ser reutilizadas varias veces. Estas baterías recargables pueden ser de plomo ácido, níquel, grafeno y litio, entre otros.

¿Qué són las baterías de iones de litio?

Las baterías de iones de litio, también conocida como batería Li-ion, es la de mayor rendimiento y su uso se ha extendido en equipos electrónicos, celulares, tabletas, computadoras portátiles, vehículos electrónicos, casas y baterías de mayor capacidad para alimentar redes eléctricas de pequeñas ciudades, barcos, aviones y otros.

Las baterías de litio han recorrido un largo camino desde que salieron de los laboratorios de Exxon en la década de 1970. Sony produjo la primera batería comercial de litio en 1991.

Las baterías de ion litio son en la actualidad las más solicitadas porque pueden almacenar una mayor cantidad de energía, tienen un ciclo de carga y descarga más duradero que da una mayor autonomía al dispositivo. Por ejemplo, una batería de ion litio puede almacenar un rango de 90 a 260 vatios hora de electricidad en 1 kilogramo de batería (wh/kg); mientras una de plomo ácido almacena solo de 35 a 49 wh/kg. Por otra parte, las baterías de ion litio son más ligeras que otras baterías recargables del mismo tamaño, y su ciclo de vida útil puede ser más largo (entre 2 a 10 años). En ese sentido, las baterías de ion litio son más durables, pero después de un tiempo su capacidad de almacenamiento se va deteriorando. Por eso, la batería de un celular nuevo dura más horas que la de un celular que tiene dos años de uso.

Las baterías de ion litio son muy sensibles a las altas temperaturas lo que acelera su degradación. Tarde o temprano una batería de ion litio se degrada tanto que se vuelve inservible porque hay que recargarla a cada instante. En ese momento si se la deshecha tiene efectos nocivos para el medio ambiente.

¿Cuáles son los componentes y cómo funciona una batería recargable?

Las celdas de las baterías comprende cuatro componentes:

• Cátodo. Electrodo positivo.
• Ánodo. Electrodo negativo.
• Separador. Actúa como una barrera física porosa que impide que los dos electrodos entren en contacto directo, y se produzca un corto circuito. Al mismo tiempo el separador poroso permite que los iones se muevan entre los dos electrodos.
• Electrolito. Es un disolvente químico que generalmente se encuentra en estado líquido y actúa como conductor a través del cual viajan los iones entre los dos electrodos.

Cuando una batería se carga los iones fluyen del cátodo al ánodo, cuando ésta se descarga viajan del electrodo negativo al electrodo positivo. Cuando todos los iones de litio se han desplazado al cátodo la batería está completamente descargada. De manera inversa cuando todos los iones de litio se han desplazado al ánodo la batería está totalmente cargada.

¿Qué materiales/minerales usan las batería de ión litio?

Los minerales utilizados para cada uno de los componentes de las baterías difieren según la tecnología. En el caso de las baterías ion litio, el litio es el fundamental por los iones de litio, pero no es él único mineral ni el que se encuentra en mayor proporción en la batería.

• Cátodo, la batería de litio normalmente contiene cobalto, litio, níquel y manganeso.
• Ánodo, generalmente está hecho de grafito, una forma de carbono, que hace que la batería sea mucho más estable y ayuda a que dure más.
• Electrolito, a menudo es un líquido de una sal de litio.
• Separador, es una fina hoja de plástico poroso.

El cobalto es un elemento químico importante para la batería pero es caro y escaso, por eso la tendencia ha sido usar cada vez menos cobalto y reemplazarlo por metales más baratos como el níquel, manganeso e incluso el hierro. Sin embargo, se vio que el cobalto desempeña el papel de maestro de escuela, disciplinando a los iones de litio rebeldes mientras se mueven y asegurando que la batería dure un mayor número de ciclos de carga y descarga.

Las baterías de iones de litio se suelen clasificar según la química de sus cátodos. Las variedades que dominan el mercado del sector de los autos eléctricos son:

•  óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC)
  •  óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA)
  • óxido de litio y manganeso (LMO)
  • fosfato de litio y hierro (LFP)

Cada una de estas químicas tiene diferentes ventajas y desventajas relacionadas con el rendimiento, la vida útil, los costos, la densidad de energía y la densidad de potencia.

El carbonato de litio es el producto químico que se comercializa y utiliza como material principal para los cátodos de las baterías tradicionales, especialmente para las que tienen un contenido de níquel relativamente bajo. Las baterías de ion litio utilizan hidróxido de litio, que desde el punto de vista técnico es más adecuado para los cátodos con alto contenido de níquel. Se espera que el hidróxido de litio ocupe el lugar del carbonato de litio a futuro.

La cantidad de litio contenida en cada celda es mínima. En promedio el litio requerido para producir un kilovatio hora (kWh) para una batería de un coche eléctrico es de 0.10 kg/kWh. Con la evolución de la tecnología de las baterías, se prevee que se requiera la mitad de esa cantidad por kilovatio hora (0.05 kg / kWh). Por ejemplo, un automóvil eléctrico con una batería de 40 kWh que le permite viajar una distancia de 250 a 300 km sólo consume 4 kg de litio.

¿Qué es una celda-pila, un módulo y un paquete de batería?

Las baterías de iones de litio que se utilizan en los vehículos eléctricos están compuestas por celdas o pilas de batería, contenidas en módulos de batería que están dentro de un paquete de baterías. Las celdas generalmente representan del 70% al 85% del paquete de batería.

Las celdas pueden adoptar diversas geometrías, su aspecto puede ser prácticamente idéntico al de las pilas cilíndricas convencionales AA o pueden tener formas cuadradas o rectangulares.

El rendimiento de la batería depende no sólo de cada celda individual, sino cómo los módulos y el paquete de la batería se combinan en una sola entidad, integrados en un hardware y un software.

¿Por cuantos años las baterías de ion litio dominarán el mercado?

Esta pregunta tiene diferentes respuestas, según las fuentes y estudios que se consulten.

Para Simon Moores, CEO de Benchmark Minerals, estamos “en la era de la economía de batería de ion litio” (lithium ion economy), porque la base de la nuevas invenciones tecnológicas es y seguirá siendo por varias décadas las baterías de ion litio aunque cambien los otros minerales requeridos.

Según Insight, el dominio de las baterías de litio no es 100% seguro, ya que otras tecnologías como las baterías de litio-azufre y de estado sólido, la celda de combustible de hidrógeno o incluso una tecnología de campo izquierdo podrían cambiar la trayectoria actual de la demanda de baterías de iones de litio.

En general todos acuerdan que durante la presente década las baterías de ion litio serán las dominantes.

Fuentes:

• The Hidden Science Making Batteries Better, Cheaper and Everywhere. Bloomberg.
• QuantumScape says its technology is ready to move from the lab to VW’s dealerships. But this secretive startup is very familiar with failure. Bloomberg Green and Hyperdrive.
• El Blog de Ignacio Mártil. Varios artículos sobre baterías.
• How Battery Demand and and Production are Reshaping the Automotive Industry. Electric Vehicle Battery Supply Chain Analysis. Insight. March 2021
• Lithium and the Global Battery Arms Race with Simon Moores. Postcast.
• Battery Society. Rystad Energy Transition Report. March 2021. Free Edition.
• Energy Societies in 2050. Rystad Energy Transition Trends.
• Battery Storage: A Primer. Emerging Energy Solutions. A series on emerging energy trends and opportunities from International Finance Corporation-IFC. May 2020.
• From dirty oil to clean batteries. Batteries vs. oil: a systemic comparison of material requirements. Transport and Environment. Mach 2021