Descubre cómo genera electricidad una celda electroquímica de ion-litio

El principio de funcionamiento de una celda de una batería de ion-litio se basa en el movimiento de iones de litio entre dos electrodos, uno positivo (cátodo) y otro negativo (ánodo), a través de un electrolito líquido o sólido. Este proceso implica una reacción electroquímica reversible que genera una corriente eléctrica cuando se descarga la batería y la almacena cuando se carga.

Aquí tienes una descripción más detallada del funcionamiento de una celda de batería de ion-litio:

1. Ánodo (electrodo negativo): El ánodo suele estar hecho de un material de carbono, como grafito, que tiene la capacidad de intercalar iones de litio en su estructura cristalina. Cuando la batería se carga, los iones de litio se extraen del cátodo y se insertan en el ánodo, lo que crea una corriente de electrones.
2. Cátodo (electrodo positivo): El cátodo generalmente está compuesto por un material de óxido de metal, como óxido de cobalto, óxido de litio, óxido de manganeso, u otros. Cuando la batería se descarga, los iones de litio se mueven desde el ánodo hacia el cátodo a través del electrolito. Durante este proceso, se liberan electrones en el cátodo, lo que contribuye a la generación de corriente eléctrica.
3. Electrolito: El electrolito actúa como un medio conductor y separa físicamente el ánodo del cátodo, evitando cortocircuitos. En las baterías de ion-litio, el electrolito es una solución iónica que permite que los iones de litio se muevan de un electrodo a otro de manera eficiente.
4. El separador: actúa como una barrera física que mantiene separados el cátodo y el ánodo, evitando que se produzca un cortocircuito. Por otra parte, a través de sus orificios, sí que deja pasar iones. Ejemplos de separadores son las resinas sintéticas como el polietileno (PE) y el polipropileno (PP).
5. Intercambio iónico: Cuando se carga la batería, los iones de litio se desplazan desde el ánodo al cátodo a través del electrolito. Durante la descarga, los iones de litio se mueven desde el cátodo al ánodo a través del electrolito. Este proceso de intercambio iónico es lo que permite que la batería almacene y libere energía de manera controlada.

Veamos cómo se producirían la carga y descarga de este tipo de celda electroquímica.

Ciclo de descarga:

• Inicio de la descarga: Los electrones comienzan a fluir desde el ánodo (electrodo negativo) hacia el cátodo (electrodo positivo) a través del circuito externo, proporcionando energía eléctrica al dispositivo.
• Migración de iones de litio: Al mismo tiempo, los iones de litio que previamente se insertaron en el ánodo durante la carga comienzan a migrar a través del electrolito hacia el cátodo. Este movimiento de iones de litio es lo que permite que la batería suministre energía al dispositivo conectado.
• Reacciones químicas en el cátodo: En el cátodo, los iones de litio se combinan con los materiales del cátodo (generalmente compuestos de óxido de metal) y liberan electrones en el proceso. Esta reacción química genera una corriente eléctrica que fluye a través del circuito externo para alimentar el dispositivo.
• Disminución de la carga. A medida que la descarga continúa, la cantidad de iones de litio en el ánodo disminuye, lo que reduce la capacidad de la batería. Cuando la concentración de iones de litio en el ánodo alcanza un cierto nivel mínimo, la batería se considera descargada y la tensión de la celda cae por debajo de un umbral aceptable para el funcionamiento del dispositivo, lo que indica que es necesario recargar la batería.

Ciclo de carga:

• Conexión al cargador: Se conecta la celda de ion-litio a un cargador específicamente diseñado para baterías de ion-litio. El cargador suministra una corriente eléctrica al circuito de carga de la batería.
• Reacción química en el cátodo: Cuando se aplica una corriente eléctrica al circuito, los electrones fluyen desde el cátodo (electrodo positivo) hacia el ánodo (electrodo negativo) a través del circuito externo. Al mismo tiempo, en el cátodo, los iones de litio se liberan de los materiales del cátodo debido a la energía proporcionada por la corriente eléctrica. Estos iones de litio se liberan en el electrolito.
• Migración de iones de litio: Los iones de litio liberados en el cátodo se desplazan a través del electrolito hacia el ánodo debido a la polaridad inversa creada por la corriente eléctrica aplicada desde el cargador. Durante este proceso, los iones de litio se insertan en la estructura cristalina del ánodo, donde se almacenan temporalmente.
• Almacenamiento de energía: A medida que los iones de litio se acumulan en el ánodo, la batería almacena energía en forma de energía química potencial.
• Finalización de la carga: La última fase de carga es la más crítica, porque hay que evitar que la celda se sobrecargue, lo cual tiene efectos negativos en la misma: disminución de la vida útil, aumento de la temperatura de la celda, pérdida de capacidad, …

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