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Litio Primario

El litio metálico apareció en los años 60 con un atractivo ánodo para las baterías primarias por su alto potencial energético, mucho más alto que las pilas estándar a base de zinc. Cada átomo de litio puede liberar fácilmente uno de los tres electrones que orbitan alrededor de su núcleo, lo que tiene un potencial de óxido-reducción muy negativo para el par Li/Li+: -3.04 voltios respecto al electrodo de referencia de hidrógeno, el más negativo de todos los sistemas electroquímicos conocidos. El litio tiene una capacidad específica notablemente elevada, algo que, combinado con su baja densidad, hace posible la producción de unas baterías de gran potencia con un peso reducido.

El litio se puede asociar a un gran número de tipos de cátodos para producir una batería. Se han ido probando muchos de estos «pares electroquímicos» (químicas de litio o de sistemas de litio) a lo largo de estos años hasta llegar finalmente a la fabricación con base industrial. Hay unos ocho sistemas de este tipo en producción actualmente.

Algunos de los materiales que componen el cátodo son sólidos, como el dióxido de manganeso (MnO2), el policarbonato monofluoruro (CFx), el disulfuro de hierro (FeS2) y el yodo (I2). Otros, son líquidos, como el cloruro de tionilo (SOCI2), el cloruro de sulfurilo (SO2CI2), o incluso gaseosos a temperatura ambiente, aunque se mantienen en estado líquido a presión dentro de las células estancas, como es el dióxido de azufre (SO2). Estos sistemas también se pueden definir por la tensión del circuito abierto nominal del sistema, tal y como figura a continuación:

  • 1,5 V (como el Li-FeS2), similar a la tensión de las pilas clásicas a base de zinc
  • 3,0 V (como los sistemas Li-SO2, Li-MnO2, Li-CFX, Li-I2)
  • 3,6 V sistemas (como Li-SOCl2, Li-SOCl2 + BrCl, Li-SO2CI2).

Estas pilas de litio primario llevan siendo la opción preferida en I+D desde hace muchos años para numerosas y exigentes aplicaciones ya que presentan un cierto número de ventajas:

  • Alto nivel de tensión, al menos para los sistemas 3.0 y 3.6 voltios. Esto significa que se puede suministrar energía a los microprocesadores con una sola célula o que se puede reducir el número de células por batería para obtener una determinada tensión de salida.
  • Estabilidad de la tensión de funcionamiento, normalmente durante más del 85 % de la vida útil de la célula, a menos que la corriente sea demasiado elevada o la temperatura de funcionamiento demasiado baja.
  • Capacidad flexible, desde algunos microamperios (pilas de botón) a algunas decenas de amperios pulsés (piles siparlées). Además, la mayoría de las aplicaciones del litio (primario) presentan dos perfiles de corriente, uno que no supera los pocos microamperios y otro con impulsos periódicos de corta duración con picos de corriente más importantes.
  • Amplio intervalo de temperatura de funcionamiento, de -20 a +60 °C y, en función del tipo de célula, con posibilidad de -60 / -40 °C y hasta +100 °C. Se pueden obtener temperaturas que alcancen los +200 °C con ánodos de aleación litio/aluminio.
  • Vida útil en almacenamiento, con una autodescarga que suele ser inferior al 1 % al año (almacenamiento a temperatura ambiente y en caso de células no espirales), pueden tener 10 años de vida útil en la estantería. Es algo demostrado en la mayoría de baterías de metal de litio dotadas de estanqueidad gracias a una junta verre.
  • Larga vida útil, con un coste reducido de funcionamiento y mantenimiento, lo que se añade a una fiabilidad notable de más de 15 años para ciertas aplicaciones.
  • Alta densidad de energía, la ligereza de las células de litio, combinada con su alta tensión de funcionamiento, consiguen ofrecer una alta densidad energética. Entre 3 y 10 veces más que el resto de sistemas primarios.
  • Sin metales pesados, la batería gastada se sigue teniendo que reciclar respetando ciertas medidas de seguridad, pero no tiene metales pesados como pueden ser plomo, mercurio o cadmio, que penetran en flujo de residuos.

Por otra parte, como les pasa a otros sistemas de baterías, el uso de baterías de litio también presenta algunos inconvenientes.

  • Coste elevado de las materias primas, la inversión inicial por célula es más costosa que para otros pares electroquímicos. Esto se debe en parte a la subida de los costes de los materiales, del sofisticado equipo de producción que hay que emplear para confeccionar las pilas de litio y a veces también los componentes de seguridad.
  • La pasivación, un almacenamiento a largo plazo puede provocar la pasivación de las células, algo que hay que gestionar para garantizar un funcionamiento óptimo cuando la aplicación solicite energía. Es un tema muy amplio que hay que tener en cuenta a la hora de elaborar el pliego de condiciones.
  • El transporte, las baterías de litio están clasificadas como mercancía peligrosa, de forma que hay que hacer pruebas adicionales que pueden resultar costosas.

 

LiSOCl2 o Cloruro de Tionilo Litio

El LiSOCl2 es un sistema de pila de metal de litio primario que se produce, principalmente, en formato cilíndrico. También hay un pequeño número de pilas de botón y de versiones en forma de prisma. Las células cilíndricas están disponibles en estructura de bobina o en espiral. Las pilas de bobina se utilizan principalmente para aplicaciones de baja corriente, mientras que las células en espiral para aplicaciones de gran potencia de corriente (varios amperios).

La vida útil en almacenamiento de las pilas de cloruro de tionilo puede llegar a oscilar entre los 10 y 20 años. Y el mismo cálculo es válido si están en funcionamiento. Pero ojo, la vida útil en almacenamiento y en uso no se suma.

Ventajas:

  • Alta tensión.
  • Estabilidad de la tensión de funcionamiento.
  • Capacidades actuales flexibles.
  • Amplio intervalo de temperatura de funcionamiento.
  • Larga vida útil en almacenamiento.
  • Larga vida útil en uso.
  • Alta densidad de energía.
  • Sin metales pesados.

Inconvenientes:

  • Coste inicial más elevado.
  • Materiales tóxicos si se abren los orificios de las células.
  • Pasivación.
  • Reglamentos de transporte.

Almacenamiento:
Estas pilas se deben mantener a temperaturas inferiores a 30 ºC.

Aplicaciones para las que se pueden usar las estructuras de bobina:

  • Memoria / Back-Up (MBU).
  • Foto / Cámaras de vídeo.
  • Contadores de suministros (gas, agua, luz, calefacción).
  • Repartidores de gastos de calefacción.
  • Lectores automáticos de los contadores (AMR).
  • Sistemas inalámbricos de seguridad /Alarmas.
  • Sistemas electrónicos de peaje.
  • Bombas de infusión en el ámbito médico.
  • Máquinas de oficina.
  • Robots industriales.
  • Aparatos de iluminación.
  • Distribuidores automáticos.
  • Instrumentos científicos.
  • Electrónica profesional.
  • Minas.
  • Sistemas de visión nocturna.
  • Instrumentos de oceanografía.
  • Ámbito espacial.

Aplicaciones para las que se pueden usar las estructuras en espiral:

  • Foto / Cámaras de vídeo.
  • Contadores de suministros (gas, agua, luz, calefacción).
  • Repartidores de gastos de calefacción.
  • Lectores automáticos de los contadores (AMR).
  • Sistemas inalámbricos de seguridad /Alarmas.
  • Bombas de infusión en el ámbito médico.
  • Aparatos de iluminación.
  • Máquinas de oficina.
  • Distribuidores automáticos.
  • Instrumentos científicos.
  • Sistemas de localización por GPS.
  • Transmisores de localización de emergencia / GPS.
  • Comunicaciones por radio (ámbito militar).
  • Imagen térmica designación / láser (ámbito militar).
  • Sonoboyas.
  • Minas.
  • Sistemas de visión nocturna.
  • Vehículos submarinos sin piloto (drones).
  • Instrumentos de oceanografía.
  • Ámbito espacial.

 

LiMnO2 o Dióxido de Manganeso Litio

Las pilas LiMnO2 tienen una clasificación metal de litio primario y se fabrican en numerosos formatos de pilas de botón, cilíndricas y en forma de prisma. Las células cilíndricas están disponibles en estructura de bobina o en espiral. Las pilas de bobina se utilizan principalmente para aplicaciones de baja corriente, mientras que las células en espiral para aplicaciones de gran potencia de corriente (varios amperios).

Ventajas:

  • Alta tensión.
  • Estabilidad de la tensión de funcionamiento.
  • Capacidades actuales flexibles.
  • Amplio intervalo de temperatura de funcionamiento.
  • Larga vida útil en almacenamiento.
  • Larga vida útil en uso.
  • Alta densidad de energía.
  • Sin metales pesados.

Inconvenientes:

  • Coste inicial más elevado.
  • Materiales tóxicos si se abren los orificios de las células.
  • Pasivación.
  • Reglamentos de transporte.

Almacenamiento:
Estas pilas se deben mantener a temperaturas inferiores a 30 ºC.

Aplicaciones para las que se pueden usar las pilas de bobina:

  • Memoria / Back-Up (MBU)
  • Foto / Cámaras de vídeo.
  • Contadores de suministros (gas, agua, luz, calefacción).
  • Repartidores de gastos de calefacción.
  • Lectores automáticos de los contadores (AMR).
  • Sistemas inalámbricos de seguridad /Alarmas.
  • Sistemas electrónicos de peaje.
  • Bombas de infusión en el ámbito médico.
  • Máquinas de oficina.
  • Robots industriales.
  • Aparatos de iluminación.
  • Distribuidores automáticos.
  • Instrumentos científicos.
  • Electrónica profesional.
  • Minas.
  • Sistemas de visión nocturna.
  • Instrumentos de oceanografía.
  • Ámbito espacial.

Aplicaciones para las que se pueden usar las pilas en espiral:

  • Foto / Cámaras de vídeo.
  • Contadores de suministros (gas, agua, luz, calefacción).
  • Repartidores de gastos de calefacción.
  • Lectores automáticos de los contadores (AMR).
  • Sistemas inalámbricos de seguridad /Alarmas.
  • Bombas de infusión en el ámbito médico.
  • Aparatos de iluminación.
  • Máquinas de oficina.
  • Distribuidores automáticos.
  • Instrumentos científicos.
  • Sistemas de localización por GPS.
  • Transmisores de localización de emergencia / GPS.
  • Comunicaciones por radio (ámbito militar).
  • Imagen térmica designación / láser (ámbito militar).
  • Sonoboyas.
  • Minas.
  • Sistemas de visión nocturna.
  • Vehículos submarinos sin piloto (drones).
  • Instrumentos de oceanografía.
  • Ámbito espacial.

 

LiSO2 o Dióxido de Azufre Litio

El LiSO2 es un sistema de batería de metal de litio primario con un cátodo líquido. El dióxido de azufre es un gas a temperatura ambiente que se mantiene en estado líquido a presión en el interior de la célula. Se emplea principalmente para las células cilíndricas enrollas en espiral. Estas células están herméticamente selladas. El LiSO2 se utiliza principalmente para aplicaciones que requieren una elevada capacidad de caudal de fuga y una amplia gama de temperatura de funcionamiento.

Ventajas:

  • Compatibilidad directa con aplicaciones que utilizan la alcalina primaria y el cloruro de zinc en células de tamaño AA y AAA.
  • Funcionan a una potencia más elevada / corriente que las pilas alcalinas
  • Larga duración de explotación, moderada en las aplicaciones de gran drenaje.
  • Temperatura de funcionamiento más amplia, funciona con temperaturas extremadamente bajas (-40 ºC).
  • Curva de descarga plana en relación con otros sistemas de baterías primarias de 1.5 V.
  • Amplia vida útil, más de 8 años.
  • Un 40 % más ligero que las pilas alcalinas comparables.

Inconvenientes:

  • Solo está disponible en tamaños AA y AAA.
  • El coste es relativamente elevado.
  • La junta ensamblada puede permitir que haya fugas de disolventes a temperaturas elevadas (superiores a +60 ºC).
  • Hay un número limitado de fabricantes, al contrario que con las células alcalinas.

Almacenamiento:
Estas pilas se deben mantener a temperaturas inferiores a 30 ºC.

LiFeS2 o Disulfuro de Hierro Litio

LifeS2 es un sistema de baterías de metal de litio primario que se usa para las aplicaciones que utilizan actualmente células primarias alcalinas. LiFeS2 se fabrica en una construcción de células cilíndricas enrolladas en espiral en formato AA y AAA únicamente. Las células contienen una protección interna LiFeS2 contra los cortocircuitos externos.

Aplicaciones del Dióxido de Azufre Litio y del Disulfuro de Hierro Litio:

Todas las aplicaciones en las que se usan actualmente células alcalinas. Y, en particular, para las aplicaciones de drenaje. Por ejemplo, en cámaras digitales.

Ventajas:

  • Compatibilidad directa con aplicaciones que utilizan la alcalina primaria y el cloruro de zinc en células de tamaño AA y AAA.
  • Funcionan a una potencia más elevada / corriente que las pilas alcalinas
  • Larga duración de explotación, moderada en las aplicaciones de gran drenaje.
  • Temperatura de funcionamiento más amplia, funciona con temperaturas extremadamente bajas (-40 ºC).
  • Curva de descarga plana en relación con otros sistemas de baterías primarias de 1.5 V.
  • Amplia vida útil, más de 8 años.
  • Un 40 % más ligero que las pilas alcalinas comparables.

Inconvenientes:

  • Solo está disponible en tamaños AA y AAA.
  • El coste es relativamente elevado.
  • La junta ensamblada puede permitir que haya fugas de disolventes a temperaturas elevadas (superiores a +60 ºC).
  • Hay un número limitado de fabricantes, al contrario que con las células alcalinas.

Almacenamiento:
Estas pilas se deben mantener a temperaturas inferiores a 30 ºC.

LiI2 o Litio yodo

El LiI2 es un sistema de batería de metal de litio primario que se utiliza, principalmente, en el ámbito médico. Es diferente del resto de pilas primarias de litio porque posee un electrolito sólido. El LiI2 se fabrica en formas no estándares que son específicas de la aplicación primaria.

Aplicaciones:
Aplicaciones médicas, como los marcapasos.

Ventajas:

  • Muy alta fiabilidad.
  • Baja descarga.
  • No genera gas, ni siquiera en caso de cortocircuito.

Inconvenientes:

  • Bajo rendimiento a temperaturas elevadas.
  • Baja OCV nominal (tensión en circuito abierto) 2.8 V
  • Alta impedancia interna.
  • Baja densidad de potencia.

Almacenamiento:
Estas pilas se deben mantener a temperaturas inferiores a 30 ºC.