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bateria ion -litio

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by

Jose Cortes

on 26 October 2013

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Transcript of bateria ion -litio


un poco

Química Inorgánica I Teoría
Grupo 7

Baterías Ion-Litio
Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Química
Cortés Araiza José H.
González Riverón Dinath E.
Reacción óxido-reducción en la pila Ion-Litio
Química Inorgánica I

Profesor Jesús Contreras Tapia
Qué es una batería?
Es un dispositivo capaz de almacenar electricidad en forma de energía química de manera autónoma, contenida en los electrodos. La puede transformar directa y espontáneamente en energía eléctrica mediante
reacciones electroquímicas
de óxido – reducción.
Una reacción electroquímica es...




Una reacción redox en la que el intercambio de electrones tiene lugar en un electrodo.
Es decir
El cambio químico es producido por el
intercambio de electrones, realizado entre un
electrodo y un aceptor o donador de electrones
en una disolución.
Cuando Alessandro Volta daba a conocer el primer generador eléctrico, (pila de Volta ) en 1800, lo que originó la búsqueda de construir la pila de mayor número de elementos.
Fue cuando Hendry Humpry hiciera el descubrimiento de los primeros metales alcalinos.
Alguna vez te has preguntado cómo es que funciona la batería de tu teléfono celular, iPod o el de tu lap top?
Que sería de la sociedad actual, sin el uso de las baterías, sabiendo que en el siglo XXI, el uso de las mismas es indispensable y que la demanda es cada vez mayor...
Sin duda alguna, la química repercute drásticamente en el desarrollo de la vida diaria , de lo más simple a lo más complejo y te vamos a decir porqué...
Empecemos por...
El litio es el elemento
más ligero de todos los metales
, tiene el más grande potencial electroquímico y proporciona la mayor densidad de energía por peso, (3.6 Ah/gr., el plomo 0.26 Ah/gr. y el fierro 0.96Ah/gr.)
Hechos
1
2
3
Y por qué utilizar una batería compuesta del elemento litio?
Por algunos años, la batería de Níquel-Cadmio había sido la única para uso, tanto en equipos portátiles de radio de 2 vías como en equipo móvil de cómputo. El incoveniente era:
Diferencia de iones en ambos lados de una membrana, que producen por un lado una diferencia en la carga eléctrica, y por otro lado una diferencia en la concentración química de las sustancias.
Potencial electroquímico
Las baterías de litio, son baterías primarias que tienen el ánodo de metal de litio, o compuestos de litio. Los compuestos químicos usados en la celda de litio
pueden producir voltajes desde 1.5 a 3.0 V
, el doble de voltaje que una batería ordinaria de carbón y zinc, o una celda alcalina.
4
Los consumidores demandaban una batería recargable con las características de la “batería de litio”, investigando se llegó a cambiar al litio metálico usando
iones de litio
, aún cuando la densidad de energía es ligeramente más baja que la de metal de litio.

La densidad de energía de la batería de Litio-Ion es el doble de la batería estándar de Níquel-Cadmio,
la celda es de 3.6 V.
Su tensión es 1.2 V frente a 1.5 V de las pilas normales. Esto supone un 20% menos de tensión.
Debido a su bajísima impedancia interna, no se pueden cargar a tensión constante, ya que se generarían corrientes muy elevadas que producen el
calentamiento
de la pila Níquel-Cadmio y su destrucción.
Hoy Litio-Ion es la química de la batería con el futuro más promisorio y de más rápido crecimiento.
En los 90´s emergieron las tecnologías de Níquel-Hidruro de metal, (Nickel-Metal-Hydride) y Litio-Ion. Hoy Litio-Ion es la química de la batería con el futuro más promisorio y de más rápido crecimiento.
Y por qué no usar Na ,Rb o K?
5
La vida útil de la batería es de
500 a 1000 ciclos de carga-descarga
, en otras palabras el promedio será de entre 2 a 3 años.
6
5
Hablemos
En 1985, Akira Yoshino ensambló un prototipo de batería usando material carbonoso en el que se podían insertar los iones de litio como un electrodo y óxido de litio cobalto (LiCoO2), que es estable en el aire, como el otro. Al utilizar materiales sin litio metálico, se incrementó la seguridad sobre las baterías que utilizaban el litio metal.
Baterías
Ion-Litio
Las baterías de litio fueron propuestas por primera vez por M.S. Whittingham, actualmente en la Universidad de Binghamton. Whittingham utilizó sulfuro de titanio (II) y metal de litio como electrodos en 1970.
El trabajo inicial con la batería de litio empezó en 1912 bajo la investigación de Gilbert Newton Lewis, pero no fue hasta principios de los 70´s cuando se empezó a comercializar la batería de litio no recargable.
Las características más importantes son...
Alta capacidad energética
•Alta resistencia a la descarga
•No poseen efecto memoria, por lo tanto, no hace falta descargarla completamente para volver a cargarla
•Capacidad de trabajar con muchos ciclos de regeneración (carga)
•Ligereza de componentes: podemos decir
que el litio es el metal más ligero, lo que permite una alta capacidad generando más energía
con un peso mucho más bajo comparado con las baterías de plomo o de níquel-cadmio
•Elevada densidad energética
•Descarga lineal
•Una vida larga de baterías profesionales para vehículos
•Facilidad de medir la energía almacenada

Baja tasa de autodescarga
Según estudios conducidos por Battery University,
toda batería de Litio-Ion resiste mejor el paso del tiempo con un 40% de su carga
. Por ejemplo, una batería guardada a temperatura ambiente con un 40% de carga mantendrá un 96% de su capacidad total después de un año; mientras que una almacenada con el 100% de su carga sólo retendrá el 80%, en igual periodo.
Cómo funcionan las baterías Ion-Litio
Entonces
Primero comencemos por conceptos como
:
Reacción Redox
Las reacciones redox o de óxido-reducción son aquellas donde
hay movimiento de electrones
desde una sustancia que cede electrones (reductor) a una sustancia que capta electrones (oxidante).
•La sustancia que
cede
electrones,
se oxida
.
•La sustancia que

gana

electrones, se

reduce
.
Si tuvieras una reacción química podríamos entender lo anterior de esta manera:
Puede sonar raro que la sustancia que se

oxida, pierda electrones

y la sustancia que se
reduce, gane electrones
,

porque uno se pregunta, cómo se puede reducir una sustancia que está ganando algo? Precisamente porque lo que está

ganando son electrones
,

que tienen carga negativa.
Uno en la vida puede ganar muchas cosas positivas, pero también puede ganarse problemas, que son cosas negativas.
Por suerte, ganar o perder electrones no es problema para ninguna sustancia.
El trabajo de investigación sobre las baterías de litio empezó a inicios del siglo XX, pero no fue hasta que Sony Corporation las empezó a utilizar comercialmente, en 1991 que se difundió su uso. Hoy en día son las más usadas en los computadoras portátiles.
Cátodo y Ánodo
Se define como:
Ánodo:
Se denomina ánodo al electrodo positivo de una
célula electrolítica
hacia el que se dirigen los iones negativos dentro del
electrolito
, que por esto reciben el nombre de aniones.
Cátodo
: Se denomina cátodo al electrodo negativo de una célula electrolítica hacia el que se dirigen los iones positivos, que por esto reciben el nombre de cationes.
Esto pasa dentro de la batería de Ion-Litio
Célula electrolítica

Celda en la cual se realiza un proceso de electrólisis. En este tipo de procesos, se descompone un electrolito utilizando una corriente eléctrica.
La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos orgánicos, se disocian en iones cuando están en solución, formando electrolitos.
Los iones de litio también envejecen, desde el momento de fabricación de la batería ya empieza su línea de degradación aún sin ser usada.
Toda batería en condiciones normales sin uso y temperatura óptima se degrada entre
un 15% y un 20 %,
cada año a partir de su fabricación.
Electrolito
Cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se comportan como un medio conductor eléctrico.
Ahora que vimos la química de la bateria ion-litio es importante saber
Tecnología estándar
Carga estándar
Ahora que sabemos la química de una bateria Ion-Litio, es importante saber como influye en el rendimiento.
La actual tecnología de baterías de litio recargables ofrece hoy en día, el mejor rendimiento para casi todos los aparatos electrónicos.
Esta tecnología estándar está en dispositivos como teléfonos móviles y PDAs. Al igual que con otras baterías recargables, a veces es necesario cambiar estas baterías con el tiempo.
Las baterías de iones de litio proporcionan más
densidad energética

que las baterías de níquel, lo que da lugar a una mayor autonomía de batería en un diseño más ligero, ya que el litio es el metal más liviano que existe.
Además, las baterías de iones de litio te permiten hacer recargas cuando te sea más cómodo, sin tener que esperar a que acabe el ciclo completo de carga o descarga que exigen las baterías de níquel para funcionar a pleno rendimiento
.
Densidad energética
Energía concentrada sobre unidad de masa.
Carga estandar
El uso y la carga del 100 % de la capacidad de la batería equivale a un ciclo de carga completo.
Un ciclo de carga supone el uso de toda la potencia de la batería, pero no implica necesariamente una única carga.
Imagina que escuchas un iPod durante un par de horas un día, utilizando la mitad de su potencia y después lo cargas totalmente
.
Sin embargo, puedes someter las baterías de tu portátil y tu iPod a varios ciclos de carga antes de llegar al 80 % de la capacidad original de la batería, así la eficiencia será mejor.
Por Ejemplo
Si haces lo mismo al día siguiente,
contaría como un único ciclo de carga y no dos
, de modo que puedes tardar varios días en completar un ciclo.
Incluso cada vez que completas un ciclo de carga, la capacidad de la batería
disminuye
ligeramente.
Existen dos variables que acortan drásticamente la vida de la batería:
Calor y Voltaje
. Una batería cargada al 100% contiene mayor excitación y por consiguiente, mayor corrosión que afecta a sus iones y produce mayor tensión en ellos.
Recapitulando
Cede electrones = se oxida = es reductor.
Gana electrones = se reduce = es un oxidante.
Agente oxidante:
es toda sustancia, molécula o ión capaz de captar electrones, por lo tanto se reduce.
Agente reductor:
es toda sustancia, molécula o ión capaz de ceder electrones, por lo tanto se oxida.
Oxidación:
Es el proceso mediante el cual un determinado elemento químico cede electrones, lo que se traduce en un aumento de su índice de oxidación.
Reducción:
Es el proceso mediante el cual un determinado elemento químico capta electrones, lo que se traduce en una disminución de su índice de oxidación.
de historia
Para enteder mejor
las reacciones
redox
Muchas veces olvidamos lo importante que es la química en la vida cotidiana. A lo largo del tiempo se han adquirido conocimientos y se han podido desarrollar este tipo de tecnologías. Gracias a la química tu puedes facilmente tener tu iPod y reproducir tu canción favorita, tener uso de tu lap top sin necesidad de conectarla a una conexión eléctrica.
A lo largo del trabajo expuesto, nuestro objetivo fue desarrollar los conceptos de una manera amena y digerible, para que se puedan entender con mayor facilidad. Primeramente que es una reaccion redox, pára posteriormente introducir los conceptos de oxidación y reducción, agente reductor y oxidante, y así poder dar el salto para explicar la química de una bateria Ion-Litio.
Conclusiones
Las baterías de Litio-Ion indiscutiblemente en cuanto a efectividad, imponiéndose sobre otras alternativas como las de plomo-ácido, o las de níquel-metal-hidruro (NiMH) por su carácter más liviano, su mayor capacidad de almacenamiento de energía, su durabilidad y su seguridad, entre otras cuestiones.
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