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Batería de metal de litio

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

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

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

Las baterías de litio primarias desechables deben distinguirse de las 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 pueden disponerse 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 de las baterías de iones de litio es un compuesto menos reactivo.

Las baterías de litio se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos de consumo portátiles. 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 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 batería de botón de litio con MnO 2 (dióxido de manganeso) en el cátodo.

El tipo más común de celda de litio utilizado en aplicaciones de consumo utiliza litio metálico como ánodo y dióxido de manganeso como cátodo, con una sal de litio disuelta en un disolvente 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 de menor densidad y con 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 convierta en un material ideal para baterías. [5] La experimentación con baterías de litio comenzó en 1912 bajo la dirección del 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 pilas primarias de litio de tres voltios, como las del tipo CR123A y las pilas de botón de tres voltios, todavía se utilizan ampliamente, especialmente en cámaras y dispositivos muy pequeños.

En la década de 1980 se produjeron tres avances importantes en relación con las baterías de litio. En 1980, un químico estadounidense, John B. Goodenough , descubrió el cátodo de LiCoO 2 ( óxido de litio y cobalto ) (plomo positivo) y un 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 nuevo PAS (poliaceno) nanocarbonoso [8] y descubrieron que era muy eficaz para el ánodo del 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 su 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. La última diferencia permite que la batería esté encerrada en una envoltura flexible en lugar de una carcasa metálica rígida, lo que significa que dichas 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 dichas 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]

quimicas

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 baja temperatura anterior era de -40 °C. Aún se mantiene un alto rendimiento a temperatura ambiente. Esto puede mejorar la densidad de energía y la seguridad de las baterías de litio y los condensadores electroquímicos. [41]

Aplicaciones

Las baterías de litio encuentran aplicación en muchos dispositivos críticos de larga duración, como marcapasos y otros dispositivos médicos electrónicos implantables. Estos dispositivos utilizan baterías especializadas de yoduro de litio diseñadas para durar 15 años o más. Pero para otras aplicaciones menos críticas, como en juguetes , la batería de litio puede durar más que el dispositivo. En tales casos, una costosa batería de litio puede no resultar 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 celdas de litio proporcionarán una vida útil mucho más larga, minimizando así el reemplazo de la batería. Sin embargo, se debe prestar atención al voltaje más alto desarrollado por las celdas de litio antes de usarlas como reemplazo en dispositivos que normalmente usan celdas de zinc ordinarias.

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 hasta tres veces la capacidad de las baterías alcalinas. El alto costo del mantenimiento de la instrumentación oceanográfica remota (normalmente mediante barcos) a menudo justifica este mayor costo.

Tamaños y formatos

Las baterías de litio pequeñas se utilizan muy comúnmente en dispositivos electrónicos portátiles pequeños, como PDA , relojes, videocámaras, cámaras digitales, termómetros, calculadoras, BIOS (firmware) de computadoras personales, [42] equipos de comunicación y cerraduras remotas de automóviles. 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 grosor, donde los dos primeros dígitos son el diámetro y los dos últimos dígitos son el grosor. Un CR2025 tiene el mismo diámetro de 20 mm pero 2,5 mm de grosor.

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

Popularidad

Las baterías primarias de litio representan el 28% de todas las ventas de baterías primarias en Japón, pero sólo el 1% de todas las ventas de baterías en Suiza. En la UE, sólo 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 impulso de la industria informática para 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 que tiene sólo 20 a 25 μm de espesor. La densidad de energía de las baterías de litio se ha más que duplicado desde que se introdujeron en 1991. Cuando se hace que la batería contenga más material, el separador puede sufrir tensión.

Problemas de descarga rápida

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

Viaje aéreo

Desde el 1 de enero de 2013, la IATA introdujo normas mucho más estrictas en relación con el transporte aéreo de baterías de litio. Fueron adoptados por la Unión Postal Internacional; sin embargo, algunos países, por ejemplo 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 anteriores, el envío y transporte de baterías de litio están restringidos en algunas situaciones, particularmente el transporte de baterías de litio por vía aérea.

La Administración de Seguridad del Transporte de los Estados Unidos anunció restricciones a partir del 1 de enero de 2008 sobre las baterías de litio en el equipaje facturado y de mano. Las normas prohíben incluir en el equipaje facturado baterías de litio que no estén instaladas en un dispositivo y las restringen en el equipaje de mano según su 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 ordenadores portátiles y teléfonos móviles). Entre estos países se encuentran Hong Kong , Estados Unidos y Japón. [50] [51] [52]

laboratorios de metanfetamina

Las baterías de litio no utilizadas proporcionan una fuente conveniente de litio metálico para su uso como agente reductor en los laboratorios de metanfetamina . Específicamente, el litio metálico reduce la pseudoefedrina y la efedrina a metanfetamina en el método de reducción 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 establezcan 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 limitaban 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 atractivas para los niños pequeños y, a menudo, se ingieren. 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 mayor y de 12,5 veces. aumento de muertes de dos veces en comparación con la última década con respecto a la 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 20 mm de diámetro y más

El principal mecanismo de lesión por ingestión de pilas de botón es la generación de iones de hidróxido , que provocan quemaduras químicas graves, en el ánodo. [59] Este es un efecto electroquímico de la batería intacta y no requiere que se rompa la carcasa ni 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 batería ha aumentado; las pilas de botón de 20 a 25 mm tienen más probabilidades de alojarse en la unión cricofaríngea; y puede producirse daño tisular grave en 2 horas. La batería de litio CR2032 de 3 V y 20 mm ha estado implicada en muchas de las complicaciones derivadas de la ingestión de pilas de botón por parte de niños menores de 4 años. [61]

Si bien la única cura para una impactación esofágica es la extirpación endoscópica , un estudio de 2018 del Children's Hospital of Philadelphia realizado por Rachel R. Anfang y sus colegas encontró que la ingestión temprana y frecuente de miel o suspensión de sucralfato antes de retirar la batería puede reducir la gravedad de la lesión. un grado significativo. [57] Como resultado, el Centro Nacional de Envenenamiento de la Capital (Control de Envenenamientos) 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 lesiones en el esófago y, en consecuencia, en sus estructuras cercanas. [62]

Las pilas de botón también pueden causar lesiones necróticas importantes cuando se atascan en la nariz o en los oídos. [63] Los esfuerzos de prevención en los EE. UU. realizados por el Grupo de Trabajo Nacional sobre Pilas de Botón en cooperación con líderes de la industria han llevado a cambios en el diseño del empaque y del compartimiento de las baterías en los dispositivos electrónicos para reducir el acceso de los niños a estas baterías. [64] Sin embargo, todavía hay una falta de conciencia entre la población general y la comunidad médica sobre sus peligros. Central Manchester University Hospital Trust advierte que "muchos médicos no son conscientes de que esto puede causar daños". [sesenta y cinco]

Desecho

Las normas para la eliminación y el reciclaje de baterías varían ampliamente; Los gobiernos locales pueden tener requisitos adicionales a los de las regulaciones nacionales. En los Estados Unidos, un fabricante de baterías primarias de disulfuro de litio y hierro advierte que las cantidades de células usadas para el consumidor pueden desecharse en los residuos municipales, ya que la batería no contiene ninguna sustancia controlada por las regulaciones 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 "botón" contienen perclorato , que está regulado como residuo peligroso en California; cantidades reguladas no se encontrarían en el uso típico de estas células por parte del consumidor. [67]

La EPA, sin embargo, afirma que debido al suministro limitado y la importancia cada vez mayor, 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 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, de almacenamiento prolongado) todavía esté en la copa del cátodo, es posible extraer cantidades comercialmente útiles del metal de dichas pilas, así como el dióxido de manganeso y los plásticos especializados. Algunos también alean el litio con magnesio (Mg) para reducir costos. [ cita necesaria ]

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

Baterías recargables

Las baterías recargables de metal litio son baterías secundarias de metal litio. Tienen litio metálico como electrodo negativo , a veces denominado ánodo de la batería . La alta capacidad específica del metal de litio (3860 mAh g −1 ), su potencial redox muy bajo (−3,040 V frente al electrodo de hidrógeno estándar) y su baja densidad (0,59 g cm −3 ) lo convierten en el material de ánodo ideal para tecnologías de baterías de alta densidad de energía. . [71] Las baterías recargables de litio metálico pueden tener una duración prolongada debido a la alta densidad de carga del litio . Actualmente, varias empresas y muchos grupos de investigación académicos están investigando y desarrollando baterías recargables de metal 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 litio metálico emplean un electrolito líquido y otras emplean un electrolito de estado sólido .

Ver también

Referencias

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