Batería de iones de litio: simulador interactivo de carga

Qué muestra el modelo

Si abres la batería de un portátil, de una herramienta eléctrica o de un coche eléctrico de los primeros, a menudo encontrarás filas de cilindros metálicos idénticos. Cada uno es una celda 18650, que debe su nombre al tamaño: 18 mm de diámetro y 65 mm de alto. Pesa menos de 50 gramos y, aun así, puede mantener encendida una linterna potente durante horas. Esta exposición abre una de ellas y sigue el litio que lleva dentro.

A la izquierda está la celda, con un cuarto de la carcasa recortado. Bajo el acero se ve una tira larga de capas finas enrollada con fuerza, como un brazo de gitano. A la derecha, un trocito de esa tira aparece dibujado a escala de átomos: lámina de aluminio, un cátodo de óxido metálico en capas, un separador poroso empapado en electrolito líquido, un ánodo de grafito y lámina de cobre. Un cable con un cargador o una lámpara une las dos láminas por arriba. Delante, unas pestañas del escenario muestran un móvil en su cargador, un coche eléctrico en un cargador rápido o una pequeña batería construida con copias de la misma celda.

Los botones «Cargar», «Descargar» y «Reposo» deciden hacia dónde viajan las bolas verdes de litio. El deslizador del estado de carga las mueve a mano. El panel de lectura muestra el voltaje de la celda, la carga y la energía que quedan en ella y una curva del voltaje frente al estado de carga, con un punto rojo en el momento actual. Los deslizadores de serie y paralelo reconstruyen la batería, y el de temperatura lleva la celda por las etapas del embalamiento térmico.

Las cifras de la celda proceden de la hoja de datos de la Panasonic NCR18650B, una celda 18650 muy común: capacidad nominal de 3200 mAh, voltaje nominal de 3,6 V y voltaje de carga de 4,2 V. La forma de la curva de voltaje entre vacía y llena es un modelo, y el texto lo indica allí donde importa.

Por qué litio y por qué dos electrodos

Una batería almacena energía como una diferencia química entre dos materiales. Si los unes con un cable, los electrones pasan del material que los retiene con poca fuerza al que más los atrae. El litio es el metal más ligero y cede su electrón externo con mucha facilidad; por eso los químicos de la década de 1970 recurrieron a él cuando buscaban una batería ligera y de alto voltaje.

Sin embargo, el litio metálico puro es difícil de manejar. Reacciona violentamente con el agua y, cuando se recarga un electrodo de litio metálico, crecen en él finos filamentos de litio. Si llegan al otro electrodo, la celda entra en cortocircuito. La celda de iones de litio evita el problema porque nunca usa el litio como metal. El litio permanece en forma de iones, y los iones siempre se guardan dentro de otro material: en el cátodo cuando la celda está vacía y en el ánodo cuando está llena. Los químicos llaman intercalación a este alojamiento de huéspedes entre las capas de un cristal anfitrión.

Así que una celda de iones de litio son dos anfitriones con un líquido entre ellos. La carga lleva el litio del óxido al grafito, donde queda con mucha más energía. La descarga le deja volver. El voltaje de la celda mide cuánto cae en ese regreso.

Dónde vive el litio

El cátodo del modelo es un óxido en capas como el óxido de litio y cobalto, LiCoO₂. Los átomos de cobalto (azules) forman láminas planas, cada una entre dos láminas de átomos de oxígeno (rojos). El litio ocupa los huecos entre estos sándwiches. Como las láminas siguen unidas tanto si el litio está como si no, el litio puede salir de los huecos y volver a entrar sin que el cristal se hunda. Muchas celdas actuales usan cátodos NMC o NCA, que mezclan níquel, manganeso, cobalto o aluminio en la misma estructura en capas.

El ánodo es grafito: láminas planas de átomos de carbono unidos en hexágonos y apiladas unas sobre otras. El litio se mete entre las láminas. En el modelo, el óxido tiene 40 sitios para el litio y el grafito 42, y las 40 bolas verdes se reparten entre ambos.

Cada electrodo es una pasta de partículas diminutas aplicada sobre una lámina metálica. El cátodo va sobre aluminio y el ánodo sobre cobre. Las láminas no participan en la química; recogen los electrones y los llevan a los terminales. En la celda de la izquierda, el aluminio está unido por una lengüeta a la tapa superior, que es el terminal positivo, y el cobre está unido al fondo de la carcasa, que es el terminal negativo.

Carga y descarga, paso a paso

Pulsa «Cargar». El cargador saca electrones del cátodo a través del aluminio y los empuja por el cable hasta el grafito. Ahora el grafito tiene carga negativa de más y el óxido ha perdido parte de la suya, así que los iones de litio (que tienen carga positiva) salen del óxido, cruzan el electrolito, pasan por los poros del separador y se deslizan entre las láminas de carbono. Los electrones azules del cable y los iones verdes del interior se mueven en la misma dirección, de izquierda a derecha, pero por caminos distintos.

Pulsa «Descargar» y la lámpara sustituye al cargador. El litio del grafito tiene más energía, así que el proceso va cuesta abajo: los electrones salen del grafito, encienden la lámpara y llegan al cátodo, mientras los iones regresan al óxido a través del electrolito. Mientras una bola está en el líquido lleva un tenue halo verde, para que distingas los iones que están de camino.

Todo el truco está en esos dos caminos. El electrolito deja pasar los iones pero no los electrones, de modo que la única forma de que los electrones sigan a los iones es por el cable, donde podemos hacer que trabajen.

Voltaje, carga y energía, con números

El voltaje entre los terminales depende de cuánto litio queda en el grafito. Vacía, la celda reposa cerca de 3,1 V; llena, cerca de 4,1 V. La curva del panel sube con fuerza al principio, luego avanza casi plana por el centro y vuelve a subir al final. Los extremos coinciden con las fuentes: Battery University da de 3,0 a 4,2 V como intervalo de funcionamiento típico del litio-ion con base de cobalto, con carga hasta 4,20 V por celda.

Cuando circula corriente, la resistencia interna de la celda desplaza el voltaje. El modelo da a la celda 0,05 Ω y usa una corriente de 1,6 A, la mitad de la capacidad de la celda por hora (0,5 C). Eso mueve el voltaje 1,6 × 0,05 = 0,08 V: hacia arriba al cargar y hacia abajo al descargar. Así, el cargador alcanza su límite de 4,20 V justo cuando el modelo llega al 100 %, y el voltaje bajo carga cae a 3,00 V justo cuando llega al 0 %.

Estas son las cifras del modelo:

La energía es voltaje por carga. La versión rápida usa el voltaje nominal: 3,6 V × 3,2 Ah = 11,52 Wh, la cifra que pondrías en la etiqueta. El panel suma la energía franja a franja bajo la curva de voltaje y obtiene 11,93 Wh en reposo. Descargando a 0,5 C, el voltaje medio del modelo es 3,65 V y la celda entrega 11,68 Wh, a menos de un 1,4 % de la cifra de la etiqueta. Battery University describe los 3,6 V nominales como, más o menos, el voltaje a mitad de descarga de una celda con base de cobalto descargada a 0,5 C, y el voltaje a mitad de descarga del modelo bajo carga es 3,63 V.

¿Cuántos iones son? Un amperio hora son 3600 culombios, así que 3,2 Ah son 11 520 culombios. Divide por la carga de un ion, 1,602 × 10⁻¹⁹ culombios, y salen unos 7,2 × 10²² iones de litio que pasan del óxido al grafito en cada carga completa. Cada bola verde del modelo representa 80 mAh, unos 1,8 × 10²¹ iones.

El modelo se carga en 40 segundos. A 1,6 A, la celda real necesitaría dos horas para la misma cantidad de carga, así que el modelo va unas 180 veces más rápido. La carga estándar de la hoja de datos dura cuatro horas porque, al final, el cargador mantiene 4,2 V y deja que la corriente disminuya poco a poco.

Serie, paralelo y baterías

Una celda da unos 3,6 V. Un portátil, una bicicleta eléctrica o un coche necesitan más voltaje o más capacidad, así que las celdas se conectan entre sí. Las celdas en serie suman sus voltajes y llevan la misma corriente; las celdas en paralelo se reparten la corriente y suman sus capacidades. Los ingenieros escriben la disposición así, por ejemplo: 10s4p, diez grupos en serie, cada uno formado por cuatro celdas en paralelo.

La fila 4s2p merece una segunda mirada. La FAA de Estados Unidos permite normalmente baterías de ion-litio de hasta 100 Wh; ocho de estas celdas suman 92 Wh. Con aprobación de la aerolínea se permiten hasta dos baterías de repuesto de más de 100 Wh y hasta 160 Wh. Los repuestos deben ir solo en equipaje de mano, con terminales protegidos; la aerolínea puede imponer límites más estrictos. En la batería, las tiras de níquel de arriba unen el extremo positivo de una columna con el negativo de la siguiente, y una de cada dos columnas está puesta del revés para que eso sea posible.

Una batería real necesita además un sistema de gestión que vigile el voltaje de cada grupo en serie. Si un grupo se desviara por encima de los demás, sería el primero en pasar de 4,2 V durante la carga, así que la electrónica los equilibra.

Cómo una celda caliente empieza a calentarse sola

Una celda cargada guarda mucha energía junto a un líquido inflamable. Casi siempre no pasa nada, porque las superficies reactivas están protegidas. El grafito está cubierto por una película fina llamada interfase de electrolito sólido, o SEI, que se forma en el ánodo e impide que el electrolito reaccione con el carbono cargado de litio.

Sube el deslizador de temperatura y podrás seguir lo que describen los Laboratorios Nacionales Sandia. Hacia 120 °C, la SEI empieza a descomponerse. El electrolito llega al grafito y reacciona con él desprendiendo calor, y la celda empieza a calentarse sola aunque nada desde fuera la caliente. En el modelo, la velocidad de autocalentamiento en ese punto es de 0,2 °C por minuto, la que Sandia usa para marcar el comienzo.

A unos 135 °C, el polietileno del separador se ablanda y sus poros se cierran. Es un mecanismo de seguridad llamado bloqueo (en inglés, shutdown): con los poros sellados, los iones no pueden pasar, así que la carga y la descarga se detienen. En el modelo, la corriente baja a cero y los iones se quedan quietos donde están. Un estudio sobre separadores de polietileno observó que encogían más de la mitad a 150 °C, y cuando la película se retira de los bordes, los electrodos pueden tocarse y provocar un cortocircuito dentro de la celda.

Más arriba todavía, el cátodo cargado empieza a descomponerse y desprende oxígeno. Sandia da temperaturas de comienzo entre 150 °C y 250 °C según el cátodo; Battery University indica unos 210 °C como valor típico para el NMC. El oxígeno liberado dentro de una celda llena de disolvente inflamable es lo que convierte una celda caliente en un incendio. Sandia habla de embalamiento térmico cuando la celda se calienta sola 10 °C por minuto o más, porque a ese ritmo ninguna refrigeración exterior puede compensarlo. El modelo alcanza esa velocidad a 210 °C. Por encima, los átomos rojos de oxígeno salen del óxido y el humo brota del venteo situado bajo la tapa superior.

La misma cadena puede empezar sin calor exterior: una celda aplastada o perforada puede sufrir un cortocircuito interno, y ese cortocircuito la calienta desde dentro.

Usar las celdas de iones de litio con seguridad

Los consejos de seguridad de los bomberos se derivan directamente de esa cadena.

• No perfores, aplastes ni dobles una celda o una batería. La Asociación Nacional de Protección contra el Fuego de Estados Unidos (NFPA) cita la perforación y el aplastamiento entre las principales causas de incendios de baterías de iones de litio.
• Carga con el cargador hecho para el aparato. Un cargador pensado para otra batería puede llevar la celda por encima de 4,2 V o seguir cargando cuando ya está llena.
• Deja de usar una batería que se hincha, huele raro, se calienta mucho, hace chasquidos o cambia de color.
• No cargues una batería dañada o que haya estado bajo el agua.
• No tires las baterías usadas al cubo de basura doméstico ni al de reciclaje. La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) pide llevarlas a puntos de recogida de baterías, con los terminales tapados con cinta.

Lo que el modelo deja fuera

• Las distancias no están a escala. En una celda real, cada recubrimiento tiene decenas de micrómetros de grosor y el separador es aún más fino, así que el espacio que cruzan los iones es enorme comparado con los átomos. El modelo lo comprime para que quepa junto a los electrodos.
• Los electrodos están dibujados como cristales perfectos. Los reales son pastas de partículas con aglutinante y negro de carbono, y las capas del cristal apuntan en todas direcciones.
• Los 40 iones del modelo pueden moverse. Un óxido en capas real solo cede parte de su litio antes de volverse inestable, y algo de litio se gasta en formar la SEI.
• La curva de voltaje es una forma suave de modelo. Una curva real depende de la química del cátodo, la temperatura, la edad y la corriente.
• Las etapas del calentamiento usan temperaturas únicas tomadas de las fuentes. En una celda real se solapan y dependen del tamaño, la química y el nivel de carga.
• La batería no tiene electrónica de gestión ni fusible.
• Solo la celda de óxido laminar usa valores de hoja de datos. Las curvas de voltaje de LFP, LTO e iones de sodio, sus capacidades, el límite de depósito y el reloj 180 veces más rápido son valores del modelo.

Tres químicos y un Premio Nobel

El Premio Nobel de Química de 2019 fue para John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino «por el desarrollo de las baterías de iones de litio». El relato del Comité Nobel empieza a principios de la década de 1970, cuando Whittingham, que trabajaba en Exxon, construyó la primera batería de litio que funcionaba, con un cátodo de disulfuro de titanio capaz de alojar iones de litio entre sus capas. Daba algo más de dos voltios, pero su ánodo era de litio metálico y resultaba demasiado reactivo para un uso amplio.

Goodenough supuso que un óxido metálico daría más voltaje que un sulfuro. En 1980 presentó el óxido de litio y cobalto, que producía unos cuatro voltios, casi el doble. En 1985, Yoshino sustituyó el ánodo de litio metálico por coque de petróleo, un material de carbono que también puede alojar iones de litio. Así nació la primera batería de iones de litio viable comercialmente: los dos electrodos eran anfitriones y no hacía falta litio metálico. Una empresa japonesa de electrónica empezó a vender baterías de iones de litio en 1991.

De la etiqueta del móvil a la batería del coche

Una batería de móvil marcada con 5 000 mAh y 3,85 V tiene una energía nominal de 5 Ah × 3,85 V = 19,25 Wh. La primera cifra mide carga, no energía. Si cambia el voltaje, cambia la energía aunque los mAh sean iguales. Por eso comparar un móvil y una batería externa solo por los mAh puede inducir a error: la batería externa puede indicar el voltaje de sus celdas internas, mientras que la salida USB funciona a otro voltaje. La conversión también pierde energía en forma de calor. El cálculo compara etiquetas; no predice exactamente la autonomía de un teléfono concreto.

En un ejemplo de coche eléctrico simplificado, supongamos una batería de 75 kWh nominales construida con las celdas de 11,52 Wh del modelo. Convertimos 75 kWh en 75 000 Wh y dividimos entre 11,52 Wh: salen unas 6510 celdas. Es una estimación energética, no un esquema de montaje. El número en serie también debe ajustarse al intervalo de voltaje del inversor del motor, y el número en paralelo debe ser entero. Los coches reales pueden usar celdas cilíndricas mayores, celdas de bolsa o prismáticas; una batería de 75 kWh no tiene por qué acercarse a esta cantidad. La refrigeración y la carcasa añaden masa sin añadir energía de celda.

La energía por masa, en Wh/kg, exige la misma precaución. La cifra de una celda excluye las placas de refrigeración y la electrónica de protección de la batería completa. Comparar una celda NMC con una batería LFP montada mezcla límites de medida. La energía utilizable también puede ser inferior a la nominal porque el sistema reserva un margen cerca de los extremos de carga. Ni el contador del modelo ni el cálculo del móvil incluyen esos márgenes. Antes de comparar, indique el voltaje, qué elementos se incluyen y las condiciones de funcionamiento.

Corriente de carga y calor

La tasa C expresa la corriente respecto a la capacidad. En esta celda de 3,2 Ah, 0,5 C equivale a 1,6 A y 1 C a 3,2 A. Si la corriente fuera constante durante toda la carga, 1 C suministraría la carga nominal en una hora. Pero una batería de ion-litio no mantiene esa corriente hasta el final. El cargador alcanza el límite de voltaje y después mantiene el voltaje mientras reduce la corriente. No basta dividir una hora entre la tasa C máxima anunciada para obtener el tiempo de carga.

El modelo supone una resistencia interna de 0,05 Ω. La estimación del calor resistivo es I²R: a 1,6 A da 0,128 W y a 3,2 A daría 0,512 W. Duplicar la corriente cuadruplica este calor si la resistencia permanece fija. Son ejemplos calculados, no una autorización para cargar esta celda a mayor corriente. La resistencia depende de la temperatura, la carga y la edad; el calor real también incluye contribuciones electroquímicas. El control de corriente del escenario (tasa C) cubre los dos casos: a 1 C, la lectura «Calor de la corriente» es cuatro veces la de 0,5 C.

El cargador debe permitir que el ánodo acepte el litio. No basta transportarlo deprisa por el electrolito si no entra con suficiente rapidez en el grafito. El frío dificulta especialmente la carga rápida. La revisión de Edge y colaboradores señala la carga rápida a baja temperatura como un desencadenante principal de la deposición de litio. El intervalo de temperatura permitido por el fabricante no garantiza que cualquier velocidad de carga sea segura dentro de él.

Por qué disminuye la capacidad sin que haya una fuga

La SEI limita las reacciones continuas entre el grafito y el electrolito. Sin embargo, su formación y crecimiento consumen litio y electrolito. El litio atrapado en esos productos ya no transporta carga entre los electrodos. Una capa más gruesa también puede aumentar la resistencia. Por eso una celda intacta puede almacenar menos carga y mostrar una caída de voltaje mayor bajo carga. Es envejecimiento químico, no carga escapando por un agujero invisible.

El envejecimiento continúa durante el almacenamiento. Una temperatura alta y un estado de carga elevado pueden acelerar reacciones secundarias; la edad de calendario y los ciclos cuentan aspectos diferentes del historial. Durante los ciclos, las partículas pueden agrietarse al cambiar de volumen. Las superficies nuevas permiten más reacciones y formación de SEI. No existe un número universal de años o ciclos al que falle toda batería de ion-litio: influyen la química, el diseño y el uso.

La deposición de litio es otra vía de daño. En lugar de entrar en el grafito, el litio se deposita como metal en su superficie. Parte puede recuperarse durante el funcionamiento posterior, pero otra parte queda aislada o reacciona y forma más SEI. Los depósitos metálicos también pueden contribuir a cortocircuitos internos. En el escenario, cargar demasiado rápido para la temperatura hace crecer agujas plateadas de litio sobre el grafito. Ese límite es un valor del modelo: la escena muestra la tendencia, no diagnostica una celda real.

Descargar completamente antes de cada recarga no recupera el litio perdido. El consejo de evitar el efecto memoria se refiere a otros comportamientos de baterías, no a una obligación de vaciar las celdas modernas de ion-litio. El 0 % de un aparato suele indicar el límite inferior de su protección, no la ausencia de iones de litio. No anule esa protección para conseguir una descarga supuestamente más completa.

Qué demuestra una prueba de transporte

UN 38.3 aborda la aptitud de las celdas y baterías de litio para el transporte. Southwest Research Institute enumera simulación de altitud, ciclos térmicos, vibración, choque y cortocircuito externo, además de aplastamiento o impacto, sobrecarga y descarga forzada cuando corresponda. Son ensayos controlados según el tipo de celda o batería. Superarlos no impide que una batería dañada arda ni significa que cada unidad haya pasado todos los ensayos destructivos.

El deslizador de temperatura representa una secuencia de fallo, no una prueba de certificación ni un procedimiento doméstico. En celdas reales se solapan las respuestas de la SEI, el separador y el cátodo. Su inicio depende de la química, la carga y el modo de calentamiento. Un cortocircuito de baja resistencia puede crear un punto caliente antes de que toda la carcasa alcance una temperatura citada. Utilice equipos certificados como corresponde y siga las instrucciones del fabricante; nunca caliente ni perfore una celda para comprobar esta exposición.

Cómo leer los controles del modelo

Elija Reposo con una carga intermedia y observe el voltaje en circuito abierto. Sin cambiar la carga, pase a Descargar: el voltaje terminal baja porque el modelo resta la caída por resistencia interna. Cargar produce el desplazamiento opuesto. El punto rojo corresponde al modo seleccionado, no a otra batería de química distinta. Mover a mano el estado de carga omite el tiempo de transferencia; no es un experimento de carga rápida.

Compare 1s1p y 4s2p con el mismo estado de carga. El voltaje nominal pasa de 3,6 V a 14,4 V y la capacidad de 3,2 Ah a 6,4 Ah. La energía pasa de 11,52 Wh a 92,16 Wh, correspondiente a ocho celdas. Cambiar las conexiones redistribuye voltaje y capacidad de carga; no crea energía química. Devuelva la temperatura al valor ordinario antes de comparar modos eléctricos: el cierre del separador detiene deliberadamente los iones en el modelo caliente.

En el escenario también puedes probar cosas directamente. Arrastra el enchufe hasta el móvil, o la manguera de carga hasta el coche, y la escena empieza a cargar al ritmo de ese aparato: unos 1,3 C con un cargador rápido de móvil y 2,33 C de media para un coche que pasa del 10 % al 80 % en 18 minutos. A medida que sube la carga, el grafito se vuelve azul oscuro, rojo y luego dorado, y sus capas se separan un 10 %. Sube la corriente o enfría la celda por debajo de 0 °C y crecerán agujas plateadas de litio sobre el grafito. El control de química cambia el óxido laminar por LFP, un ánodo LTO o iones de sodio, y la curva de voltaje cambia con él. La pestaña de controles reúne doce retos, diez materiales de baterías con fuentes y siete cosas escondidas en el escenario.