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Cómo funciona una batería de litio

Cómo funciona una batería de litio
Imagen microscópica de las partículas de LFP en una rebanada de batería. Las rojas contienen litio, y las verdes no. Sandia National Laboratories.

Un estudio revela cómo funciona una batería de litio. Conocer el funcionamiento del proceso de carga y descarga en las pilas reutilizables ayudará a diseñar fuentes de energía más potentes y eficientes.

Cada año, los nuevos modelos de gadgets electrónicos como smartphones y tablets dejan a los del año anterior reducidos a poco más que piezas de museo. Pero todos estos dispositivos dependen de un mismo componente que apenas parece evolucionar y que siempre parece fallarnos en el peor momento: la batería. Por extraño que parezca, los científicos aún no conocen en todo detalle cómo funciona una batería de litio, unidades de energía portátil que sus “primos”, los ingenieros, han diseñado. Un nuevo estudio revela algunos de estos secretos, lo que en el futuro contribuirá a mejorar la eficiencia y el tiempo de carga de las baterías de iones de litio.

Las baterías recargables de los aparatos más populares, como ordenadores y teléfonos, se basan en el empleo de un material que contiene iones de litio y que actúa como cátodo (electrodo positivo). Durante el proceso de carga, estos átomos se transfieren al ánodo (electrodo negativo), y regresan de vuelta al cátodo durante la descarga. En las células más comunes, el material utilizado como fuente para este vaivén atómico es el óxido de litio cobalto (LiCoO2).

Sin embargo, hay otro material que se ha adoptado en los últimos años, el fosfato de hierro-litio (LiFePO4), un mineral natural de la familia del olivino. Las baterías de litio-ferrofosfato, o LFP, son más estables, seguras y duraderas, pero hasta ahora su uso se ha visto restringido por su menor capacidad energética. Gracias a su mayor fiabilidad y a que evitan el riesgo de combustión presente en las de óxido de litio cobalto, son interesantes para aplicaciones críticas como aeronáutica, automoción, robótica y medicina, donde un fallo puede significar algo mucho más grave que una llamada perdida.

Se han ensayado varias estrategias para mejorar el funcionamiento de las baterías LFP, como reducir el tamaño de las partículas del compuesto para facilitar el trasiego de los iones, o recubrirlas con un material de mayor conductividad eléctrica para dar un empujoncito extra a los cationes de litio. Pero en realidad, el verdadero problema radica en que es difícil mejorar algo cuando no se conoce exactamente su funcionamiento ni, por tanto, cuáles son los pasos limitantes.

 

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El físico Farid El Gabaly prepara una muestra de batería LFP para saber cómo funciona una batería de litio en un aparato de espectroscopía de rayos X. Jeff McMillan, Sandia National Laboratories.

Cómo funciona una batería de litio


Esto es lo que se propusieron desvelar Farid El Gabaly, del Laboratorio Nacional Sandia, y su colega William Chueh, de la Universidad de Stanford, ambos en EEUU. Para diseccionar la batería LFP y ponerla bajo la lupa, cortaron una rebanada de batería poco más gruesa que un cabello para aislar una sola capa de partículas de LFP, tal como se hace para examinar órganos humanos. La lupa que emplearon fue una de alta tecnología, un microscopio de rayos X de transmisión que es capaz de ver dónde se encuentra el litio. Para localizar exactamente el contenido de litio en cada una de las 450 partículas de una muestra, superpusieron la imagen de rayos X con la de un microscopio electrónico de transmisión, que ofrece una resolución muy fina de la imagen de las partículas; algo así como superponer el dibujo en negro de un cómic y las manchas de color.

Lo que encontraron los investigadores fue que el tráfico de litio se producía de manera diferente a lo que hasta ahora se creía. “Una teoría decía que las partículas se descargaban lentamente todas a la vez”, explica El Gabaly. “Hemos visto que el proceso es más bien como el de las palomitas de maíz. Una partícula se descarga por completo, después la siguiente, y así una a una. Solo hay dos fases, en las que la partícula tiene litio o no lo tiene”. Según el científico, estudios previos no habían podido apreciar este fenómeno porque “se  habían centrado en estudiar el proceso de carga en una sola partícula”. Las imágenes obtenidas por los investigadores muestran un mosaico de partículas en rojo (con litio) y otras en verde (sin litio) en el que predomina un color u otro según el estado de carga de la batería.

El estudio de El Gabaly y Chueh, publicado en la revista Nano Letters, destapa una conclusión importante: el verdadero paso limitante en la carga de las baterías es la iniciación de ese movimiento del litio, el estallido de la palomita. El tamaño de las partículas es irrelevante, lo que echa por tierra varios trabajos previos. Según los científicos, ya hay una compañía interesada en aplicar su hallazgo para obtener baterías más eficientes.
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