Opinion · Un poco de ciencia, por favor

Proceso de carga-descarga de una batería de iones de litio

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

En el anterior artículo de esta serie, he descrito las principales características y aplicaciones de las baterías recargables con mayor presencia y proyección de futuro del mercado: las baterías de iones de litio (en lo que sigue ion-litio). En este voy a describir cómo tienen lugar los procesos de carga y descarga de las mismas, lo que servirá para entender su enorme utilidad práctica, como por ejemplo las baterías de los teléfonos móviles:

Batería de ion-litio de un teléfono móvil

En las baterías de ion-litio, los iones se mueven en un sentido cuando la batería se carga, es decir, cuando absorbe la energía que le proporciona una fuente externa y se mueven en sentido contrario cuando la batería se descarga, que es el momento en el que la batería está suministrando energía a un determinado dispositivo: un teléfono móvil, un patinete, un vehículo eléctrico, etc. El proceso se muestra en la imagen: 

Esquema interno de una batería de ion-litio. Los iones de litio están representados por puntos rojos; en el ánodo, los átomos de carbono están representados por puntos negros, agrupados en capas hexagonales. Durante el proceso e carga de la batería, los iones de litio se desplazan desde el cátodo de LiCoO2 hacia el ánodo de gafito, mientras que los electrones hacen lo mismo, pero a través del circuito externo. En la descarga, que el proceso que permite utilizar la batería para alimentar un dispositivo, los iones se desplazan en sentido opuesto, desde el ánodo hacia el cátodo, igual que los electrones a través del circuito externo, donde se conecta el dispositivo que se quiere hacer funcionar (en la imagen, una bombilla). Fuente: Chaofeng Liu, Zachary G. Neale y GuozhongCao, “Understanding electrochemical potentials of cathode materials in rechargeable batteries” Materials Today, 18, 109 (2016)

 

1. Proceso de carga

Durante la carga, que se realiza conectando la batería a una fuente de energía externa (la red eléctrica, generalmente), algunos iones de litio abandonan el electrodo positivo de óxido de cobalto y litio (LiCoO2, el cátodo) y fluyen hacia el electrodo negativo de grafito (una variedad del Carbono, el ánodo) a través del electrolito (mostrado en la imagen en color azulado). Los electrones también fluyen desde el electrodo positivo al negativo, pero lo hacen a través del circuito externo. Cuando los iones de litio llegan al grafito, se insertan entre las capas atómicas de ese material, donde se recombinan con los electrones, quedando el litio depositado allí.

Cuando ya no fluyan más iones, la batería está completamente cargada y lista para usar. En este estado de carga, los iones de litio se almacenan entre las diferentes capas de carbono del electrodo de grafito, de manera que en su estado de carga, el ánodo es efectivamente una especie de “bocadillo” integrado por capas de carbono que se alternan con las capas de iones de litio.

En este proceso, la batería almacena energía, dado que el potencial electroquímico del grafito es más elevado que el del óxido de cobalto y litio y por consiguiente, los iones de litio tienen que “subir” desde el potencial al que se encuentran en el cátodo, hasta el del ánodo, para lo que necesitan una fuente externa que les proporcione la energía necesaria para realizar ese camino. Las reacciones químicas que tienen lugar en cada electrodo son las siguientes:

Cátodo:  LiCoO2 + Energía externa ⇒ Li1-xCoO2 + xLi+ + xe

Ánodo:   C + xLi+ + xe ⇒ LixC

2.Proceso de descarga

Durante la descarga, los iones fluyen de regreso desde el ánodo de grafito hacia al cátodo de óxido de cobalto y litio a través del electrolito. Los electrones también fluyen desde el ánodo al cátodo, pero lo hacen a través del circuito exterior, alimentando un ordenador portátil, un teléfono móvil, un vehículo eléctrico, etc. Esto es así dado que los iones de litio en el grafito están a un potencial electroquímico más alto del que tenían en el óxido de cobalto y litio, como ya se ha visto en el párrafo anterior y por lo tanto “bajan” su potencial electroquímico, razón por la que ahora aportan energía al circuito al que se conecten. Ese exceso de energía es el que ceden al circuito exterior, razón por la que cualquier dispositivo que esté conectado a la batería puede realizar su función. A medida que la batería se descarga, los iones se desplazan desde el electrodo de grafito al electrodo de óxido de cobalto. Cuando está completamente descargada, todos los iones de litio se han desplazado de vuelta al electrodo de óxido de cobalto y litio, donde de nuevo se sitúan entre las capas de iones de cobalto y los iones de oxígeno. Las reacciones que tienen lugar ahora en cada electrodo son las inversas a las del proceso de carga, de ahí que las baterías sean reutilizables:

Ánodo:  LixC ⇒ C + xLi+ + xe + Energía

Cátodo:   Li1-xCoO2 + xLi+ + xe ⇒ LiCoO2

La figura muestra el proceso de descarga:

La figura ilustra el proceso de descarga de una batería de ion-litio, durante el cual los iones de litio (Li+) se desplazan desde el cátodo de grafito hacia el ánodo de LiCoO2, mientras que los electrones se mueven a través del circuito exterior, también desde el ánodo hacia el cátodo, alumbrando la bombilla. La fuente de la imagen está tomada de un trabajo de John B. Goodenough, uno de los galardonados este año con el Premio Nobel de Química: “How we made the Li-ion rechargeable battery”, Nature Electronics 1, 204 (2018)

Es decir, en los procesos de carga y descarga de la batería, los iones de litio se desplazan de un electrodo a otro. En ambos casos, los electrones fluyen también desde el mismo electrodo desde el que se mueven los iones de litio, pero lo hacen a través del circuito exterior, ya que los electrones no fluyen a través del electrolito, porque éste es una barrera aislante muy efectiva que impide la circulación de los electrones a través de él.

Durante el proceso de descarga de los iones de litio desde el ánodo al cátodo, se genera una tensión entre los electrodos bastante alta, del orden de 3.5-4 voltios, que es lo que produce cada pila, debida  a la diferencia de potenciales electroquímicos existente entre ánodo y cátodo ya indicada. Este valor es mucho más alto que los 1.5 voltios típicos de una celda alcalina AA normal y ayuda a que las baterías de iones de litio sean más compactas, lo que facilita su uso en dispositivos pequeños, como por ejemplo los teléfonos móviles.

El movimiento de los iones (a través del electrolito) y el de los electrones (a través del circuito externo) son procesos interconectados, y si alguno de ellos se detiene, el otro también lo hace. Si los iones dejan de moverse a través del electrolito porque la batería se descarga completamente, los electrones tampoco pueden moverse a través del circuito externo. De manera similar, si se apaga la fuente que esté cargando la batería (por ejemplo, en un corte de la red eléctrica), el flujo de electrones se detiene y también lo hace el flujo de iones. Ambos procesos se muestran en el siguiente vídeo:

 

3. Una similitud con una central hidroeléctrica reversible

Se pude hacer un símil entre el funcionamiento de una batería de ion-litio y el de una  central hidroeléctrica reversible, constituida por dos embalses conectados entre sí. En efecto, si imaginamos que el ánodo es el embalse superior, el cátodo el inferior y los iones de litio, el agua que circula entre ellos, la equivalencia es directa. El dibujo lo ilustra:

Símil entre una central hidroeléctrica reversible y una batería recargable indicando como tienen lugar los procesos de carga y descarga de la batería y sus equivalentes en el caso de la central reversible

El ánodo de grafito, que es el electrodo con el potencial electroquímico más elevado, jugaría el papel del embalse superior, que tiene almacenada el agua (es decir, los iones de litio en el caso de la batería). El agua situada allí dispone de una energía potencial elevada. Cuando se hace caer sobre la turbina, situada a una altura inferior, se produce la electricidad. A continuación, el agua se recoge en el embalse inferior, desde donde se bombea con una fuente de energía externa al embalse superior para comenzar de nuevo el ciclo. Obviamente, el embalse inferior jugaría el papel del cátodo de óxido de cobalto y litio, donde los iones de litio (es decir, el agua), poseen menor potencial electroquímico (menor energía potencial en el caso del agua). La diferencia de altura entre ambos embalses es la diferencia de potencial electroquímico entre los electrodos de la batería.