Introducción
Pese a algunas limitaciones, las baterías de Li-Ión continúan teniendo la performance más importante. Por muchos años la batería de Ni-Cd fue la única disponible para dispositivos portátiles como los utilizados en comunicación inalámbrica. En 1990 surgieron las de Ni-MH y las de Li-Ión, ofreciendo mayores capacidades.
La favorita parece ser la familia Li-Ión, gracias a equipos portátiles con un pequeño factor de forma. La batería de Li-Ión es de bajo mantenimiento, una ventaja que ningún otro químico puede ofrecer, no hay efecto memoria y no se requiere ciclos de mantenimientos para prolongar la vida de la batería.
Además de la alta densidad de energía y el bajo peso, la autodescarga es menor a la mitad de la que sufren las baterías de Ni-Cd y Ni-MH. Como aspectos negativos, las baterías de Li-Ión requieren un circuito de protección para mantenerse operando de forma segura.
La carga debe realizarse bajo estrictos estándares. Asimismo, están sujetas al deterioro provocado por el paso del tiempo, aún cuando no haya sido usada.
Historia
El trabajo precursor con baterías de litio comenzó en 1912 pero fue hasta principios de la década del ´70 que las primeras baterías no recargables de litio se volvieron aprovechables comercialmente. Intentos por desarrollar baterías de litio recargables continuaron durante los años ´80, pero fallaron debido a problemas de seguridad. El Litio es el más liviano de todos los metales, posee el mayor potencial electroquímico y representa el mayor contenedor de energía. Usando litio metálico como electrodo negativo, las baterías recargables son capaces de proveer alto voltaje y excelente capacidad, obteniendo así una extraordinaria alta densidad de energía.
Tras largas investigaciones sobre las baterías de litio durante la década del ´80, se descubrió que el ciclaje de carga altera el electrodo de litio reduciendo de este modo su estabilidad térmica y provocando una potencial fuga térmica.
Si esto se produce, la temperatura de la celda rápidamente se aproxima al punto de fusión del litio, lo que desencadena una violenta reacción. A causa de la inestabilidad inherente al Metal-Litio, especialmente durante su carga, las investigaciones se orientaron hacia la búsqueda de una batería de Litio no metálico usando iones de litio como Dióxido de litio-cobalto (LiCoO2). Aunque levemente menor en densidad de energía que el Metal-Litio, el Li-Ión es seguro, provisto con ciertas precauciones para la carga y la descarga.
En 1991, se comercializó la primer batería de Li-Ión. Otros fabricantes siguieron el ejemplo siendo hoy el químico de baterías de más rápido crecimiento en el mundo. Han surgido varios tipos de baterías de Li-Ión. La versión original usaba carbón como electrodo negativo. Desde 1997, la mayoría de las baterías de Li-Ión se han volcado al uso del grafito. Este electrodo presenta una curva de descarga de voltaje más plana que el carbón y ofrece un agudo ángulo de curva, seguido por una rápida caída de voltaje. Como consecuencia la energía útil del sistema de grafito puede ser recuperada descargando solo hasta 3 V, mientras que la versión de carbón debe ser descargada hasta los 2,5 V para obtener igual performance.
Dos químicos diferentes han surgido para el electrodo positivo. Estos son el cobalto y el manganeso. Aunque el cobalto ha sido muy usado, el manganeso es inherentemente más seguro y se resiente menos ante el abuso. Los circuitos de protección pueden ser simplificados o aún eliminados. Como desventajas, el manganeso ofrece una densidad de energía levemente menor, sufre pérdida de capacidad a temperaturas superiores a los 40 °C y envejece més répido que el cobalto.
A pesar de que las celdas de Li-Ión tienen algún impacto ambiental, causan menos daño que las baterías basadas en cadmio o plomo. Entre la familia de baterías de Li-Ión, la de manganeso es la más noble.
Cargando la batería de Li-Ión
El cargador de Li-Ión es un dispositivo con limitador de voltaje y de corriente, las principales diferencias del cargador de Li-Ión son un mayor voltaje por celda, una tolerancia de voltaje más estrecha y la ausencia de goteo o carga flotante, mientras que los cargadores de Ni-Cd o Ni-MH ofrecen alguna flexibilidad en términos de corte de voltaje, los fabricantes de celdas de Li-Ión son estrictos respecto a la elección de voltaje.
En su primera presentación, el límite de la carga de voltaje de los sistemas de grafito era de 4,10/celda. Aunque el paso de voltajes más altos incrementó la densidad de la energía, la oxidación de la celda limitó severamente la vida útil de las primeras celdas de grafito al cargarse estas por encima del umbral de los 4,10/celda. Este problema se ha resuelto con aditivos químicos, y las más nuevas celdas de Li-Ión son puestas a 4,20 V. La tolerancia en todas las baterías de Li-Ión es un estrecho ±0,05 V/celda.
El tiempo de carga de las baterías de LI-Ión es aproximadamente de tres horas, a una "corriente de carga inicial de 1C". La carga completa es obtenida luego de que el voltaje alcanza su umbral superior y la corriente cae y se estabiliza cerca del 3% de su tasa nominal, o alrededor de los 0,03 °C. Incrementar la corriente de carga en un cargador de Li-Ión no reduce demasiado el tiempo que esta demora.
Aunque el pico de voltaje es alcanzado más rápidamente con corriente más alta, la carga óptima tomará más tiempo, las ofertas de cargado rápido de batería de Li-Ión en una hora o menos usualmente resultan en niveles inferiores de carga.
Un cargador semejante simplemente termina la carga cuando ha llegado a la tensión de umbral pero el nivel de carga en este punto es del 70%, la carga óptima típicamente toma el doble de tiempo que la inicial. La carga por goteo no es aplicada, pues el Li-Ión es incapaz de absorber sobrecarga.
La carga por goteo podría volver inestable la celda, en vez de ello, una breve carga al máximo es aplicada para compensar la pequeña autodescarga de la batería y el consumo de su circuito de protección. La carga comienza cuando la tensión a terminal abierto cae hasta 4,05 V/celda y se apaga cuando alcanza 4,20 V/celda.
Circuito de protección
Los packs comerciales de baterías Li-Ión contienen dispositivos extras de protección para garantizar la seguridad en cualquier circunstancia. Típicamente, un FET se abre si el voltaje de la carga de cualquier celda alcanza los 4,30 V, y un fusible se activa si la temperatura de la celda se aproxima a los 90 °C. Además, un switch de presión en cada celda permanentemente interrumpe la carga de corriente si un límite de presión segura es superado, y los circuitos internos de control de voltaje cortan la batería en los puntos de bajo y alto voltaje.
El Li-Ión normalmente es descargado hasta los 3 V/celda. El corte de mas bajo voltaje es 2,5 V/celda. De cualquier forma, durante el almacenamiento prolongado es posible una descarga por debajo de este nivel de voltaje. Para cargarlo los fabricantes recomiendan elevarlo gradualmente con una carga pequeña hasta un rango de voltaje aceptable. No todos los cargadores están diseñados para realizar una carga una vez que una batería de Li-Ión se ha caído por debajo de los 2,5 V/celda.
Algunas baterías presentan un corte de voltaje ultrabajo que desconecta permanentemente el pack si una celda cae por debajo de los 1,5 V. Esta precaución intenta prohibir la recarga si una batería ha permanecido en un estado ilegal de voltaje. Una profunda descarga provoca cobreado, lo que puede llevar a un corto circuito en la celda.
La mayoría de los fabricantes no venden celdas de Li-Ión por separado pero llegan al mercado como un "pack" de batería, completo con circuito de protección. Esta precaución es entendible al considerar el riesgo de explosión y fuego existente cuando la batería es cargada y descargada más allá de sus límites seguros.
Una mayor preocupación surge si cierta electricidad estática o un cargador defectuoso destruye el circuito de protección de la batería. Un daño semejante, a menudo provoca un cortocircuito y sin el conocimiento del usuario. Una batería con un circuito de protección dañado puede funcionar normalmente pero no proporciona la seguridad requerida. Cargada más allá de los límites seguros de voltaje con un cargador con baja calidad de diseño, la batería puede calentarse, inflamarse y, en algunos casos, prenderse fuego. En resumen, una batería semejante puede ser peligrosa.
Analizadores para las baterías de Li-Ión
En el pasado, los analizadores de batería eran usados para restaurar baterías afectadas por efecto memoria. Con las baterías actuales, libres de Níquel, la memoria ya no representa un problema, y el énfasis puesto sobre los analizadores se ha volcado a la verificación de la performance de la batería, y el control de calidad. El conocimiento convencional indica que una batería nueva funciona perfectamente.
Todavía muchos usuarios se encuentran con que una batería nueva no siempre se ajusta a las especificaciones del fabricante. Con un analizador, todas las baterías que ingresan pueden ser chequeadas como parte de un procedimiento de control de calidad. La vida típica de una batería de Li-Ión es de 300 a 500 ciclos de carga/descarga o de dos años desde su fabricación.
La pérdida de la capacidad de la batería ocurre gradualmente y a menudo sin el conocimiento del usuario. A pesar de ser cargada completamente, la batería retrocede, eventualmente, a un punto en el que retiene menos de la mitad de su capacidad original. La función del analizador es identificar las baterías falladas y separarlas.
Un analizador de batería también puede ser usado para encontrar la causa de cortas duraciones de la carga. El cargador podría no proporcionar una carga completa o el dispositivo portátil podría requerir más corriente de la esperada. Muchos de los analizadores de baterías actuales pueden simular la forma de carga de los dispositivos digitales y verificar el tiempo de rendimiento de la carga en base a la capacidad de la batería.
Quizás la capacidad más importante de un analizador moderno de batería, es la habilidad de leer resistencia interna de la batería. Como parte del envejecimiento natural, la resistencia interna de un Li-Ión se incrementa gradualmente a causa de la oxidación de la celda. Cuanto mayor la resistencia, menor es la energía que la batería puede proporcionar.
Beneficios del Li-Ión
La batería de Li-Ión recibe buenas calificaciones en cuanto a performance y confiabilidad y han encontrado un fuerte nicho de mercado con dispositivos portátiles demandando un reducido factor de forma.
Los usos más populares son los teléfonos inalámbricos, cámaras fotográficas y notebooks.
Un campo en que el Li-Ión ha resultado poco favorable es en aplicaciones que requieren uso ocasional de la batería. En una laptop que es alimentada mayormente por AC, por ejemplo, la batería de Li-Ión envejece con el tiempo y los beneficios completos de la batería no pueden ser percibidos.
Para estas aplicaciones, otros químicos de batería pueden resultar más apropiados. Altos niveles de temperatura dentro de algunas laptops también causan que el Li-Ión falle prematuramente. De todos modos, tests de campo han revelado, que el Li-Ión soporta mejor el calor que el Ni-MH.
Los sistemas de Litio-Polímero que se encuentran en un estadio temprano de su producción, están peleando por alcanzar y sobrepasar la performance de las baterías de Li-Ión. El alto costo inicial y la oferta limitada son los inconvenientes principales. Una vez producido en forma masiva, se espera que las baterías de litio-polímero sea más barata que las de Li-Ión pués son posibles métodos de empaque más simples.
Como ventajas, el Litio-Polímero proporciona densidades de energía levemente más altas y peso reducido.
No se han establecido normas de standard de forma para baterías de Litio-Polímetro pués esta batería puede ser moldeada virtualmente a cualquier forma y tamaño.
Advertencias
Las baterías de Li-Ión tienen muy alta densidad de energía. Se debe tener precaución al manipular y probar. No se deben cortarcircuitar, sobrecargar, romper, mutilar, aplicar polaridad invertida, exponer a alta temperatura o desarmar.
Ventajas de las baterías de Li-Ión
- Alta densidad de energía.
- Potencial para capacidades todavía mayores.
- Autodescarga relativamente baja - la autodescarga es menor a la mitad de la que sufren Ni-Cd y NiMH.
- Poco Mantenimiento.
- No se requieren descargas periódicas.
- Sin efecto memoria.
Limitación de las baterías de Li-Ión
- Requiere circuito protector - el circuito de protección limita el voltaje y la corriente. La batería es segura si no es forzada.
- Sujeta al deterioro del paso del tiempo, aún cuando no se encuentra en uso - almacenando la batería en lugar fresco y al 40% del estado de carga se reduce el envejecimiento.
- Sujeto a regulaciones de traslado - el traslado de cantidades importantes de baterías de Li-Ion puede ser susceptible de controles regulatorios. Esta restricción no se aplica a movimientos personales.
- Cara para fabricar - cerca de un cuarenta por ciento más caro que Ni-Cd. Mejores técnicas de fabricación y el reemplazo de metales raros con costos alternativos más bajos probablemente reducirán el precio.
- No totalmente maduro - cambios en metal y en las combinaciones químicas afectan los resultados de las pruebas de la batería.
