Principios físicos y químicos del funcionamiento de las baterías
Debido a la gran demanda de dispositivos eléctricos, el hombre ha buscado desarrollar fuentes alternativas para el almacenamiento de energía, de esta manera se ha implementado el uso de baterías con energías determinadas y que sean de larga duración, como las baterías de litio.
Se conoce que mediante una reacción química se puede generar energía como la energía eléctrica, esta tiene un sistema de energía química que se les denomina celdas electroquímicas. "La estructura fundamental de una Celda Electroquímica consiste en dos electrodos, metálicos en muchos casos, introducidos en una solución conductora o electrolito: electrodo positivo, denominado cátodo, y electrodo negativo, denominado ánodo" (Hamel, 2011). Como se conoce ya, el término "batería" hace referencia a que las celdas se colocan unas detrás de otras para ampliar la capacidad y la tensión del acumulador eléctrico. El funcionamiento de un acumulador está basado esencialmente en un proceso reversible llamado Óxido-Reducción (también conocido como Redox).
En su mayoría se han empleado las baterías de ion litio, ya que el litio al ser el metal más liviano, con un potencial estándar de reducción de -3.040V, es decir actúa como especie reductora y en el proceso se oxida, su valor es el más negativo entre los metales, lo que indica que es el agente reductor más fuerte por lo tanto tiene el mayor potencial electroquímico, debido a su valor tan negativo de su potencial de reducción le proporciona una inestabilidad termodinámica (cuando un sistema está en su estado de menor energía o equilibrio químico en su entorno), es por eso que actualmente se ha implementado la utilización de los iones de litio en las baterías, debido a que el poder reductor de este metal es muy elevado, esta reacción suele ser espontánea generando una energía aprovechable.
Las baterias de ion-litio
Las baterías de ion-litio recargables, en cuanto a su funcionamiento se basan en procesos denominados de inserción - desinserción de iones Litio (Li+), la reacción que ocurre se puede describir de la manera siguiente:
La reacción anterior sucede en estado sólido, entre dos compuestos de inserción como electrodos, uno de los compuestos es denominado huésped (M), de naturaleza iónica, reacciona ocupando lugares vacantes (ª) en la estructura de otra especie denominada Anfitrión (A) por lo general siendo sólido cristalino. Estas reacciones pueden ocurrir en forma reversible.
En la figura 1 puede verse el esquema del funcionamiento de una batería de litio, en donde el electrodo negativo está constituido por el litio metálico, y el electrodo positivo por un compuesto que actúa como anfitrión durante la reacción de inserción. El electrolito puede ser una solución de una sal de litio en un solvente no acuoso.
Estas baterías tienen dos procesos que tienen que ser bien identificados: el de descarga y carga pag (Fig.2y3). Durante el proceso de descarga los e- se mueven en sentido contrario al de la corriente eléctrica, en el electrodo positivo ocurre la reducción, mientras que en el negativo se produce la oxidación del litio metálico:
El ion-Litio se mueve a través del electrolito hacia el electrodo positivo donde se produce la reducción de la especie anfitrión y la inserción de la especie huésped.
La reacción total durante la descarga será:
En cambio durante el proceso de carga, se produce la reacción contraria (Fig. 2): en el electrodo positivo la oxidación de la especie anfitrión y en el electrodo negativo se deposita el Litio metálico (Lara,2013), desafortunadamente durante este proceso los iones litio se depositan en el electrodo negativo creciendo y expandiéndose cada vez más en los diferentes procesos de carga-descarga, lo que provocará que en algún momento van a chocar los dos electrodos formando un cortocircuito o la explosión de la batería.
Estas reacciones Redox son limitadas ya que la gran cantidad de descargas y cargas genera un evidente desgaste de la batería hasta deteriorarse por completo, siendo una más de las causas del desgaste de la vida media de la batería en función del ciclo de carga, que no es más que el uso y la carga del 100% de su capacidad. La mayoría de baterías de iones de litio utiliza una carga rápida hasta un 80 % de la capacidad de su batería, posteriormente pasan a una carga más lenta, el periodo de vida de la misma dependerá sobre todo del uso que se le dé (Ridej74, 2015)
