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Batería de metal de litio

Pila de botón de litio CR2032
Batería de litio de 9 voltios , de tamaño AA y AAA . El objeto superior es una batería de tres celdas de dióxido de manganeso y litio; las dos inferiores son celdas de disulfuro de hierro y litio y son compatibles con celdas alcalinas de 1,5 voltios.

Las baterías de metal de litio son baterías primarias que tienen litio metálico como ánodo . El nombre se refiere intencionalmente al metal para distinguirlas de las baterías de ion de litio , que utilizan óxidos metálicos litiados como material del cátodo. [1] Aunque la mayoría de las baterías de metal de litio no son recargables, también se están desarrollando baterías de metal de litio recargables . Desde 2007, el Reglamento sobre mercancías peligrosas diferencia entre baterías de metal de litio (ONU 3090) y baterías de ion de litio (ONU 3480). [2]

Se distinguen de otras baterías por su alta densidad de carga y su elevado coste por unidad. Dependiendo del diseño y de los compuestos químicos utilizados, las células de litio pueden producir voltajes de1,5 V (comparable a una batería de zinc-carbono o alcalina ) a aproximadamente3,7 voltios .

Las baterías primarias desechables de litio deben distinguirse de las baterías secundarias de iones de litio o de polímero de litio [3] , que son baterías recargables y no contienen litio metálico. El litio es especialmente útil, porque sus iones se pueden organizar para moverse entre el ánodo y el cátodo , utilizando un compuesto de litio intercalado como material del cátodo pero sin utilizar litio metálico como material del ánodo. El litio puro reaccionará instantáneamente con el agua, o incluso con la humedad del aire; el litio en las baterías de iones de litio es un compuesto menos reactivo.

Las baterías de litio se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos portátiles de consumo. El término "batería de litio" se refiere a una familia de diferentes químicas de litio-metal, que comprende muchos tipos de cátodos y electrolitos , pero todos con litio metálico como ánodo. La batería requiere de 0,15 a 0,3 kg (5 a 10 oz) de litio por kWh. Tal como están diseñados, estos sistemas primarios utilizan un cátodo cargado, que es un material electroactivo con vacantes cristalográficas que se llenan gradualmente durante la descarga.

Diagrama de una pila de botón de litio con MnO2 ( dióxido de manganeso) en el cátodo

El tipo más común de celda de litio utilizada en aplicaciones de consumo utiliza litio metálico como ánodo y dióxido de manganeso como cátodo, con una sal de litio disuelta en un solvente orgánico como electrolito. [4]

Historia

Batería de iones de litio
Curva de precio y capacidad de las baterías de iones de litio a lo largo del tiempo; el precio de estas baterías disminuyó un 97% en tres décadas.

El litio es el metal alcalino con menor densidad y con el mayor potencial electroquímico y relación energía-peso . El bajo peso atómico y el pequeño tamaño de sus iones también aceleran su difusión, lo que probablemente lo convierte en un material ideal para baterías. [5] La experimentación con baterías de litio comenzó en 1912 bajo el químico físico estadounidense Gilbert N. Lewis , pero las baterías de litio comerciales no llegaron al mercado hasta la década de 1970 en forma de batería de iones de litio . [6] [7] Las celdas primarias de litio de tres voltios, como el tipo CR123A y las celdas de botón de tres voltios, todavía se usan ampliamente, especialmente en cámaras y dispositivos muy pequeños.

Tres desarrollos importantes con respecto a las baterías de litio ocurrieron en la década de 1980. En 1980, un químico estadounidense, John B. Goodenough , descubrió el cátodo LiCoO 2 ( óxido de litio y cobalto ) (plomo positivo) y un científico investigador marroquí, Rachid Yazami , descubrió el ánodo de grafito (plomo negativo) con el electrolito sólido. En 1981, los químicos japoneses Tokio Yamabe y Shizukuni Yata descubrieron un novedoso PAS nanocarbonatado (poliaceno) [8] y descubrieron que era muy eficaz para el ánodo en el electrolito líquido convencional. [9] [10] Esto llevó a un equipo de investigación dirigido por Akira Yoshino de Asahi Chemical , Japón, a construir el primer prototipo de batería de iones de litio en 1985, una versión recargable y más estable de la batería de litio; Sony comercializó la batería de iones de litio en 1991. [11] En 2019, John Goodenough, Stanley Whittingham y Akira Yoshino recibieron el Premio Nobel de Química por el desarrollo de baterías de iones de litio. [12]

En 1997, Sony y Asahi Kasei lanzaron la batería de polímero de litio . Estas baterías mantienen su electrolito en un compuesto de polímero sólido en lugar de en un disolvente líquido, y los electrodos y separadores están laminados entre sí. Esta última diferencia permite que la batería esté envuelta en un envoltorio flexible en lugar de en una carcasa metálica rígida, lo que significa que estas baterías pueden tener una forma específica para adaptarse a un dispositivo en particular. Esta ventaja ha favorecido a las baterías de polímero de litio en el diseño de dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles y asistentes digitales personales , y de aviones radiocontrolados , ya que estas baterías permiten un diseño más flexible y compacto. Generalmente tienen una densidad de energía menor que las baterías de iones de litio normales.

Los altos costos y las preocupaciones sobre la extracción de minerales asociados con la química del litio han renovado el interés en el desarrollo de baterías de iones de sodio , con lanzamientos tempranos de productos para vehículos eléctricos en 2023. [13]

Química

La Universidad de California en San Diego ha desarrollado una química de electrolitos que permite que las baterías de litio funcionen a temperaturas tan bajas como -60 °C. Los electrolitos también permiten que los condensadores electroquímicos funcionen a temperaturas tan bajas como -80 °C. El límite de temperatura anterior era de -40 °C. Aún se mantiene un alto rendimiento a temperatura ambiente. Esto puede mejorar la densidad energética y la seguridad de las baterías de litio y los condensadores electroquímicos. [41]

Aplicaciones

Las baterías de litio se utilizan en muchos dispositivos esenciales de larga duración, como marcapasos y otros dispositivos médicos electrónicos implantables. Estos dispositivos utilizan baterías de yoduro de litio especializadas diseñadas para durar 15 años o más. Pero para otras aplicaciones menos críticas, como en los juguetes , la batería de litio puede durar más que el dispositivo. En esos casos, una batería de litio costosa puede no ser rentable.

Las baterías de litio se pueden utilizar en lugar de las pilas alcalinas comunes en muchos dispositivos, como relojes y cámaras . Aunque son más costosas, las pilas de litio ofrecen una vida útil mucho más larga, lo que minimiza el reemplazo de la batería. Sin embargo, se debe tener en cuenta el mayor voltaje que desarrollan las pilas de litio antes de utilizarlas como reemplazo directo en dispositivos que normalmente utilizan pilas de zinc comunes.

Las baterías de litio también resultan valiosas en aplicaciones oceanográficas . Si bien los paquetes de baterías de litio son considerablemente más caros que los paquetes oceanográficos estándar, tienen una capacidad hasta tres veces mayor que los paquetes alcalinos. El alto costo del mantenimiento de la instrumentación oceanográfica remota (generalmente a bordo de barcos) a menudo justifica este mayor costo.

Tamaños y formatos

Las baterías de litio pequeñas se utilizan con mucha frecuencia en dispositivos electrónicos portátiles pequeños, como PDA , relojes, videocámaras, cámaras digitales, termómetros, calculadoras, BIOS (firmware) de computadoras personales, [42] equipos de comunicación y cerraduras de automóviles a distancia. Están disponibles en muchas formas y tamaños, siendo una variedad común la variedad de manganeso tipo "moneda" de 3 voltios. La batería CR2032 común tiene 20 mm de diámetro y 3,2 mm de espesor, donde los dos primeros dígitos son el diámetro y los dos últimos dígitos son el espesor. Una CR2025 tiene el mismo diámetro de 20 mm pero 2,5 mm de espesor.

Las elevadas demandas eléctricas de muchos de estos dispositivos hacen que las baterías de litio sean una opción especialmente atractiva. En particular, las baterías de litio pueden soportar fácilmente las demandas de corriente breves y elevadas de dispositivos como las cámaras digitales , y mantienen un voltaje más alto durante un período más prolongado que las pilas alcalinas.

Popularidad

Las baterías primarias de litio representan el 28% de todas las ventas de baterías primarias en Japón, pero solo el 1% de todas las ventas de baterías en Suiza. En la UE, solo el 0,5% de todas las ventas de baterías, incluidos los tipos secundarios, son primarias de litio. [43] [44] [45] [46] [ dudoso – discutir ]

Cuestiones de seguridad y regulación

El afán de la industria informática por aumentar la capacidad de las baterías puede poner a prueba los límites de componentes sensibles como el separador de membrana, una película de polietileno o polipropileno de tan solo 20-25 μm de espesor. La densidad energética de las baterías de litio se ha más que duplicado desde su introducción en 1991. Cuando se hace que la batería contenga más material, el separador puede sufrir tensiones.

Problemas de descarga rápida

Las baterías de litio pueden generar corrientes extremadamente altas y pueden descargarse muy rápidamente cuando se cortocircuitan. Aunque esto es útil en aplicaciones donde se requieren corrientes altas, una descarga demasiado rápida de una batería de litio, especialmente si el diseño de las celdas contiene cobalto , puede provocar un sobrecalentamiento de la batería (que reduce la resistencia eléctrica de cualquier contenido de cobalto dentro de la celda), una ruptura e incluso una explosión. Las baterías de cloruro de tionilo y litio son particularmente susceptibles a este tipo de descarga. Las baterías de consumo suelen incorporar protección contra sobrecorriente o térmica o ventilaciones para evitar una explosión.

Viajes aéreos

A partir del 1 de enero de 2013, la IATA introdujo normas mucho más estrictas para el transporte aéreo de baterías de litio. Estas normas fueron adoptadas por la Unión Postal Internacional; sin embargo, algunos países, como el Reino Unido, han decidido que no aceptarán baterías de litio a menos que estén incluidas en el equipo que alimentan.

Debido a los riesgos mencionados anteriormente, el envío y transporte de baterías de litio están restringidos en algunas situaciones, en particular el transporte de baterías de litio por vía aérea.

La Administración de Seguridad del Transporte de los Estados Unidos anunció restricciones que entrarán en vigor el 1 de enero de 2008 para las baterías de litio en el equipaje facturado y de mano. Las normas prohíben que las baterías de litio que no estén instaladas en un dispositivo se transporten en el equipaje facturado y las restringen en el equipaje de mano según el contenido total de litio. [47]

Australia Post prohibió el transporte de baterías de litio por correo aéreo durante 2010. [48]

Las regulaciones del Reino Unido para el transporte de baterías de litio fueron modificadas por el Centro Nacional de Emergencias Químicas en 2009. [49]

A finales de 2009, al menos algunas administraciones postales restringieron el envío por correo aéreo (incluido el servicio de correo urgente ) de baterías de litio, baterías de iones de litio y productos que las contengan (como computadoras portátiles y teléfonos celulares). Entre estos países se encuentran Hong Kong , Estados Unidos y Japón. [50] [51] [52]

Laboratorios de metanfetamina

Las baterías de litio sin usar constituyen una fuente conveniente de litio metálico para su uso como agente reductor en los laboratorios de metanfetamina . En concreto, el litio metálico reduce la pseudoefedrina y la efedrina a metanfetamina mediante el método de reducción de Birch , que emplea soluciones de metales alcalinos disueltos en amoníaco anhidro . [53] [54]

Algunas jurisdicciones han aprobado leyes para restringir las ventas de baterías de litio o han pedido a las empresas que impongan restricciones voluntarias en un intento de ayudar a frenar la creación de laboratorios ilegales de metanfetamina . En 2004, se informó que las tiendas Wal-Mart limitaron la venta de baterías de litio desechables a tres paquetes en Missouri y a cuatro paquetes en otros estados. [55]

Problemas de salud por ingestión

Las pilas de botón son muy atractivas para los niños pequeños y suelen ingerirlas. En los últimos 20 años, aunque no ha habido un aumento en el número total de pilas de botón ingeridas en un año, los investigadores han observado un aumento de 6,7 veces en el riesgo de que una ingestión resulte en una complicación moderada o importante y un aumento de 12,5 veces en las muertes en comparación con la última década anterior. [56] [57]

MANTENER FUERA DEL ALCANCE DE LOS NIÑOS icono requerido por IEC 60086-4 [58] en pilas de botón (pilas de botón de litio) con un diámetro de 20 mm o mayor

El mecanismo principal de lesión en las ingestiones de pilas de botón es la generación de iones de hidróxido , que causan quemaduras químicas graves, en el ánodo. [59] Este es un efecto electroquímico de la pila intacta, y no requiere que se rompa la carcasa o que se libere el contenido. [59] Las complicaciones incluyen estenosis esofágicas , fístulas traqueoesofágicas , parálisis de las cuerdas vocales, fístulas aortoesofágicas y muerte. [60] La mayoría de las ingestiones no son presenciadas; las presentaciones no son específicas; el voltaje de la pila ha aumentado; las pilas de botón de 20 a 25 mm tienen más probabilidades de alojarse en la unión cricofaríngea; y puede producirse un daño tisular grave en 2 horas. La pila de litio CR2032 de 3 V y 20 mm se ha visto implicada en muchas de las complicaciones de las ingestiones de pilas de botón por parte de niños menores de 4 años. [61]

Si bien la única cura para una impactación esofágica es la extracción endoscópica , un estudio de 2018 del Hospital de Niños de Filadelfia realizado por Rachel R. Anfang y colegas descubrió que la ingestión temprana y frecuente de miel o suspensión de sucralfato antes de la extracción de la batería puede reducir la gravedad de la lesión en un grado significativo. [57] Como resultado, el Centro Nacional de Intoxicaciones de la Capital (Control de Intoxicaciones) con sede en EE. UU. recomienda el uso de miel o sucralfato después de ingestiones conocidas o sospechadas para reducir el riesgo y la gravedad de la lesión en el esófago y, en consecuencia, en sus estructuras cercanas. [62]

Las pilas de botón también pueden causar lesiones necróticas importantes cuando se introducen en la nariz o en los oídos. [63] Las iniciativas de prevención llevadas a cabo en Estados Unidos por el grupo de trabajo nacional sobre pilas de botón, en colaboración con los líderes de la industria, han dado lugar a cambios en el diseño de los envases y de los compartimentos de las pilas de los dispositivos electrónicos para reducir el acceso de los niños a estas pilas. [64] Sin embargo, la población en general y la comunidad médica siguen sin estar al tanto de sus peligros. El Central Manchester University Hospital Trust advierte de que "muchos médicos no son conscientes de que esto puede causar daños". [65]

Desecho

Las normas para la eliminación y el reciclaje de baterías varían ampliamente; los gobiernos locales pueden tener requisitos adicionales a los de las normas nacionales. En los Estados Unidos, un fabricante de baterías primarias de disulfuro de hierro y litio advierte que las cantidades de células usadas que se destinan al consumidor pueden desecharse en los residuos municipales, ya que la batería no contiene ninguna sustancia controlada por las normas federales de los EE. UU. [66] Sin embargo, la mayoría de las baterías de litio están clasificadas como residuos peligrosos debido a la posibilidad de incendio. Otro fabricante afirma que, si bien las baterías de litio del tamaño de un botón contienen perclorato , que está regulado como residuo peligroso en California, no se encontrarían cantidades reguladas en el uso típico de estas células por parte del consumidor. [67]

Sin embargo, la EPA afirma que debido al suministro limitado y la creciente importancia, las baterías de litio siempre deben reciclarse si es posible. [68] Además, una ruptura en una batería representa un riesgo potencial de incendio, por lo que la EPA establece que el consumidor promedio debe llevar las baterías de litio a instalaciones especializadas en litio o materiales peligrosos.

Como es probable que el litio de las pilas de botón usadas pero que no funcionan (es decir, que se han almacenado durante un período prolongado) siga estando en el cátodo, es posible extraer cantidades comercialmente útiles del metal de dichas pilas, así como del dióxido de manganeso y de plásticos especiales. Algunos también alean el litio con magnesio (Mg) para reducir los costos. [ cita requerida ]

Dado que ha habido un aumento exponencial en la demanda de baterías de litio a lo largo del tiempo, [69] ha habido presiones para encontrar mejores formas de reciclar las baterías de litio. [70]

Baterías recargables

Las baterías recargables de metal de litio son baterías secundarias de metal de litio. Tienen litio metálico como electrodo negativo . La alta capacidad específica del metal de litio (3860 mAh g −1 ), el potencial redox muy bajo (−3,040 V frente al electrodo de hidrógeno estándar) y la baja densidad (0,59 g cm −3 ) lo convierten en el material negativo ideal para tecnologías de baterías de alta densidad energética. [71] Las baterías recargables de metal de litio pueden tener un tiempo de funcionamiento prolongado debido a la alta densidad de carga del litio . Varias empresas y muchos grupos de investigación académica están investigando y desarrollando actualmente baterías recargables de metal de litio, ya que se consideran una vía líder para el desarrollo más allá de las baterías de iones de litio . [72] Algunas baterías recargables de metal de litio emplean un electrolito líquido y otras emplean un electrolito de estado sólido .

Véase también

Referencias

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