Baterías de Litio 18650 (1)

Este año ha sido prolífico en descubrimientos, hemos de reconocer que las actividades que se han desarrollado han resultado ser muy enriquecedoras. Con esta primera entrega comenzamos a desgranar las maravillas de las baterías 18650: cómo obtenerlas, comprobar su estado, cuidados requeridos, aplicaciones indicadas, carga y descarga… un completo recorrido que esperamos os sea de utilidad.

Necesitábamos una fuente de energía para nuestros proyectos. No queríamos seguir con las pilas estándar, pues las alcalinas suponian un gran desperdicio y queríamos concienciar a nuestros alumnos sobre la importancia del consumo responsable y el respeto por el medio ambiente. Sin embargo las recargables suponían un desafío para los monitores. Debíamos organizarnos con sumo cuidado para llevar suficientes packs cargados a las sesiones. Para montajes que no requerían movilidad utilizábamos transformadores eléctricos a 7-9 voltios, pero seguíamos sin alternativa para proyectos móviles.

En esas nos encontrábamos cuando los astros se alinearon y tropezamos con varias referencias a estas baterías. La que nos decidió a probar fue la web del proyecto mClon, del cual también os haremos llegar información en futuras entregas. Para alimentar al robot se proponían varios métodos, uno de ellos basado en baterías 18650. Los requisitos no parecían complicados así que nos pusimos manos a la obra. Recopilamos información y nos lanzamos a experimentar.

Las baterías de Litio son unos acumuladores eléctricos en los que una reacción química reversible permite desplazar cargas eléctricas entre sus extremos, denominados electrodos positivo (cátodo) y negativo (ánodo). La sustancia entre ambos electrodos se conoce como electrolito. Entre los componentes del cátodo se encuentran, además del Litio, el Cobalto, Manganeso, Hierro.. y el ánodo está compuesto prácticamente de grafito puro. Aunque en el MundoReal la química es mucho más compleja (recomiendo el artículo «Disección de una batería de Litio» de Alma de Herrero), el siguiente esquema simplifica enormemente las reacciones fundamentales que tienen lugar en una batería: carga y descarga.

Esquema batería de LitioDurante el proceso de carga, se aplica una corriente eléctrica a los electrodos de la batería, los electrones fluyen por la fuente externa de electricidad, desde el cátodo hacia el ánodo. Al mismo tiempo, a través del electrolito del interior de la batería, iones de Litio abandonan el cátodo, migrando hasta el ánodo e insertándose junto a los electrones entre las láminas de grafito. Cuanto más Litio sea absorbido por el ánodo, mayor es la resistencia que ofrece el grafito a seguir acumulando iones de Litio y electrones, hasta que se alcanza una situación en la que por más electrones que traten de llegar al ánodo, el Litio ya no encuentra lugar entre el grafito para asentarse. En ese momento, se considera que la batería está cargada.

Esta reacción acumula energía porque bombea iones de Litio al interior del grafito, que se encuentra a un nivel electroquímico más alto que el del cátodo quedando allí retenidos por la atracción electrostática con los electrones. Recomiendo este video de unProfesor en el que explican el fenómeno electroquímico con un ejemplo celular.

El proceso de descarga comienza cuando insertamos la batería en el circuito que deseamos alimentar. Al establecerse de nuevo una conexión externa entre ánodo y cátodo, los electrones retornan expontáneamente a su cátodo natal, recorriendo el circuito en sentido inverso al que hicieron cuando se cargaba la batería. En ese momento, los iones de Litio, libres de la atracción eléctrica que los retenían junto a los electrones, comienzan a fluir a través del electrolito hasta el cátodo, en el que gozan de un menor potencial electroquimico. Este doble movimiento produce una corriente eléctrica que pone en funcionamiento el aparato en cuestión.

Cuando el retorno de electrones e iones de Litio se haya completado, la corriente eléctrica cesa y diremos que la batería se ha descargado.

¿Qué hace que esta tecnología de baterías sea tan atractiva?. Sabemos que desde ordenadores personales y móviles, hasta aparatos de bricolaje y automóviles son operados con este tipo de baterías. Las razones son muchas:

  • Funcionan a voltajes más altos que otros tipos de baterías. Típicamente entre 3.7 y 4 voltios.
  • La densidad energética que almacenan es muy superior. O dicho de otro modo, en el mismo volumen son capaces de almacenar más energía que otras baterías.
  • Retienen la carga almacenada durante largos periodos de tiempo. Otras tecnologías pierden carga poco a poco aunque no se utilicen.
  • No sufren del efecto memoria al que otras tecnologías nos tenían acostumbrados. No hay que esperar a descargarlas por completo para volverlas a cargar.

Aunque no nos flipemos, no están exentas de inconvenientes:

  • Siguen requiriendo para su construcción elementos contaminantes y peligrosos para el medio ambiente. En menor cantidad que anteriores tecnologías, pero todavía queda mucho recorrido para mejorar este aspecto, tanto en su fabricación como en su posterior reciclado.
  • Con el tiempo, la capacidad del grafito para acumular iones de Litio desciende, provocando una degradación de la batería y una disminución de la cantidad de carga que puede almacenar. Gracias a la evolución tecnológica continua, los ciclos de carga-descarga aumentan con cada generación.
  • El electrolito interno no se lleva bien con las altas temperaturas, existiendo un riesgo de incendio si se sobrepasa cierto humbral. Para paliarlo, se incorporan termómetros que cortan el proceso de carga hasta que se recupera una temperatura de trabajo normal. Para solucionarlo se trabaja actualmente con electrolitos cada vez más estables térmicamente e incluso se prevé su sustitución a más largo plazo por electrolitos sólidos, mucho más robustos en un rango de temperaturas más amplio.

Ahora que ya sabemos qué, para qué y cómo… surge el dónde. En nuestro caso, con varios informáticos al alcance de la mano, no fue complicado encontrar viejos portátiles desechados y obsoletos, con baterías cuyos pilotos parpadeaban en ámbar, rojo o ni eso, muertas del todo. Indagamos por la red y descubrimos la madre de todas las webs dedicadas a las baterías de Litio, Second Life Storage. Tienen una base de datos de celdas 18650 alucinante. ¿Que por qué tanto hablar de las celdas 18650?. Ah, claro. Todavía no os las hemos presentado. Disculpen. Con ustedes, una batería de portátil a punto de ser depredada:

Como podéis ver, la caja de plástico contiene, típicamente, 6 celdas cilíndricas del tipo 18650 que suelen mantener tu portátil sobre las 2 horas funcionando. Se suelen mover entre los 3,7 (descargada) y los 4.4 voltios (cargada). Su nombre, original al máximo, proviene de sus dimensiones: 18mm de diámetro por 65 milímetros de altura. ¿Y el 0 final?. Os reto a que lo descubráis.

El formato es uno de los más conocidos en el mundo de las celdas de Litio. Aunque existen multitud de configuraciones, tamaños y formas para otros tantos usos y necesidades, debido a que en la informática de consumo abundan las 18650, las tomaremos como base para nuestros proyectos.

Un ejemplo a escala industrial podrá demostraros el poder de estas pequeñas celdas. Si conocéis los automóviles Tesla, sabed que un Model S con batería de 85KWh de capacidad, alberga más de 7000 celdas del tipo 18650 y consigue mover sus más de 2 toneladas de peso durante casi 400Km según el riguroso ciclo de homologación EPA.

Y después de ver esta maravilla, me despido con la promesa de que muy pronto os traeré la segunda entrega sobre las 18650 en la que os enseñaremos a depredar baterías de portátil y recuperar las celdas que todavía estén sanas. Porque supongo que eso no lo sabíais. Cuando una batería está estropeada y deja de funcionar, no quiere decir que todas sus celdas lo estén. Si hay suerte, incluso 5 de 6 pueden estar todavía operativas.

Hasta la próxima.

2 thoughts on “Baterías de Litio 18650 (1)

  1. Genial artículo!!!
    Per se ha hecho escaso. por favor dinos ya como montar una estación de carga y descarga a base de esas celdas.
    Lo dicho, enhorabuena por este trabajo que hacéis.

    • Gracias por el comentario, Martín. La guinda de la serie será precisamente la integración de estas baterías en nuestros proyectos de electrónica.
      Saludos.

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