Baterías para sistemas integrados: baterías de fosfato de hierro y litio frente a las de iones de litio

Zachariah Peterson
|  Creado: May 26, 2017  |  Actualizado: November 27, 2020

Dos de las opciones de baterías para sistemas integrados más populares son las baterías de iones de litio (Li-Ion) y las baterías de fosfato de hierro y litio (Li-Fosfato o LiFePO4). Estos dos tipos de baterías tienen características de carga y descarga muy distintas, aunque tienen una química similar y utilizan, en parte, los mismos materiales. En algunos sistemas, se puede usar cualquier tipo de batería, pero cada uno tiene sus ventajas en diferentes aplicaciones, lo que depende de la tasa de descarga, la tasa de carga requerida, la capacidad deseada y la vida útil en ciclos.

A la hora de elegir la batería apropiada para tu próximo sistema integrado, deberás tener en cuenta estas características eléctricas, así como el coste y el tamaño de los distintos tipos de baterías. Esto es lo que necesitas saber al comparar las baterías de iones de litio con las de fosfato de hierro y litio.

Baterías de fosfato de hierro y litio frente a las de iones de litio

Estos materiales para baterías de litio tienen características en común. La química en cada uno de estos tipos de baterías es similar, al igual que los materiales que se utilizan para fabricarlas. Ambas baterías funcionan por medio de reacciones electroquímicas reversibles en las que intervienen iones de litio, por lo que ambas deberían llamarse baterías de iones de litio (la gente que he conocido en el sector de los materiales para baterías ni siquiera hacen la distinción). No obstante, tienen diferencias importantes que han llevado a clasificarlas en diferentes categorías, incluso si el material de la batería es similar.

Ambos tipos de baterías utilizan un ánodo de grafito, que puede almacenar una cantidad razonablemente grande de iones de litio durante la carga. La diferencia no está en el ánodo, sino en la interacción con los iones de litio en el cátodo. El proceso limitador de tasa en las baterías de iones de litio frente a las de fosfato de hierro y litio es la desorción y la posterior reducción en el cátodo, lo que explica las diferencias en capacidad, tasa de descarga y voltaje de salida. El fosfato de hierro y litio es un nuevo tipo de batería que está ganando reconocimiento en las industrias manufactureras debido a la menor toxicidad y al menor coste de sus materiales, así como a su estabilidad a altas temperaturas.

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¿Con qué baterías para sistemas integrados quedarse? ¿Baterías de fosfato de hierro y litio o baterías de iones de litio?

Si estás leyendo esto en un smartphone o portátil, lo más probable es que sea gracias a una batería de polímero de litio o de iones de litio, respectivamente. Estas son algunas de las diferencias clave entre las baterías de iones de litio y las de ferrofosfato:

Li-Ion

Cuando la gente en general habla de baterías "Li-Ion", podría estar refiriéndose a cualquiera de los tipos de baterías de iones de litio. Las más populares en aplicaciones de consumo son las de óxido de litio y cobalto (LiCoO2). Este es el material del cátodo en común de este tipo de baterías de litio. Estas son algunas de las especificaciones típicas de las celdas de las baterías de iones de litio:

  • Voltaje: 3,6 V nominal, rango de 3,0 V a 4,2 V.
  • Energía específica: 150 a 200 Wh/kg
  • Tasa de carga: 0,7 C a 1 C. La carga por encima de 1 C hará que la capa de interfase electrolito-sólido (SEI) en el ánodo crezca durante la carga, lo que atrapa el litio y reduce la capacidad con el tiempo. Esta es una causa principal de la disminución de la capacidad en baterías de óxido de litio y cobalto.
  • Tasa de descarga: 1 C. Puede que no estés familiarizado con el índice "C". Esto significa que, si una batería tiene una capacidad nominal de 2400 mAh, puede descargarse con una corriente máxima de 2,4 A sin dañarse.
  • Ciclo de vida: 500 a 1000 ciclos. El ciclo de vida depende en gran medida de la temperatura de funcionamiento, la profundidad de descarga (DoD) y la tasa de carga (ver más arriba).
  • Embalamiento térmico: 150 °C. Esto es lo que hace que las baterías de iones de litio se incendien o exploten.
  • Rango de temperatura para tasa de carga máxima: 0 a 40 °C
  • Rango de temperatura de descarga: -25 a 60 °C. Conviene observar que el óxido de litio y cobalto se cargará y descargará de manera extremadamente lenta a bajas temperaturas.

Fosfato de hierro y litio

El fosfato de hierro y litio tiene un cátodo de ferrofosfato. Estas baterías suelen tener una tensión de salida más baja y una energía específica más baja que las de litio y cobalto. Sin embargo, tienen una tasa de descarga y un ciclo de vida mucho más altos:

  • Voltaje: 3,2 o 3,3 V nominal, rango de 2,5 a 3,65 V.
  • Energía específica: 90 a 120 Wh/kg
  • Tasa de carga: 1 C
  • Tasa de descarga: 1 a 25 C, posiblemente con pulsos de 40 A.
  • Ciclo de vida: 1000 a 10 000 ciclos, en función de la temperatura.
  • Embalamiento térmico: 270 °C
  • Rango de temperatura para tasa de carga máxima: 0 a 45 °C
  • Rango de temperatura de descarga: -20 a 60 °C.

Comparación

Al comparar las baterías fosfato de hierro y litio con las de iones de litio, vemos de inmediato que las de iones de litio tienen una energía específica más alta, pero una tasa de descarga menor. Esto significa que Li-Ion es una buena alternativa para dispositivos portátiles de alto consumo y que necesitan extraer un flujo constante de corriente a una tensión relativamente baja. La mayor tasa de descarga de las baterías de fosfato de hierro y litio significa que pueden proporcionar grandes ráfagas de corriente cuando es necesario y luego recargarse rápidamente. La corriente de descarga entra en juego en aplicaciones como motores eléctricos. La baja tasa de corriente de descarga de 1 C de Li-Ion no es nada si se compara con Li-Fosfato, que puede ser de hasta 25 C.

Además de la vida útil en ciclos, normalmente más larga, la diferencia fundamental entre estos dos tipos de baterías está en la especificación de embalamiento térmico. Uno de los modos de fallo en cualquier batería durante la descarga y recarga rápidas es el embalamiento térmico. Durante el embalamiento térmico, la velocidad a la que se genera calor debido a la resistencia terminal en los electrodos supera la velocidad a la que se disipa en su entorno. Cuando la temperatura interna de la batería supera la temperatura de embalamiento, la batería entra en embalamiento térmico.

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Fallo catastrófico de una batería de iones de litio

Puesto que el fosfato de hierro y litio tiene una temperatura de embalamiento térmico más alta, puede usarse en entornos más cálidos con menos riesgo. Tiene, además, otra ventaja en términos de los materiales utilizados en el cátodo. Como habrás notado, las baterías de óxido de litio y cobalto contienen cobalto, que es muy tóxico y plantea cuestiones éticas en torno al abastecimiento.

El alto contenido de energía del Li-Ion lo hace vulnerable a riesgos, como explosiones. Múltiples modos de fallo hacen que sea difícil cubrir todas las posibilidades con baterías de iones de litio. En aparatos como dispositivos electrónicos de mano, los ciclos dependen de la frecuencia con la que el usuario drena y recarga su dispositivo. Esto deja el destino de la batería en manos de un usuario final que desconoce los modos de fallo de esta. De acuerdo, ese tipo de fallo no es probable, pero siempre es mejor prevenir que curar. Tiene una menor densidad de energía y una química más estable. Estas características significan que no se quemará, incluso si falla. Resumiendo, las baterías de litio-ferrofosfato son mucho más seguras que las de iones de litio.

A pesar de la mayor seguridad y alta tasa de descarga de las baterías de fosfato de hierro y litio frente a  las de iones de litio, estas últimas pueden almacenar más energía por kg, pero no porque el ánodo esté almacenando necesariamente más litio. Al diseñar dispositivos electrónicos portátiles, el tamaño importa. Las baterías de iones de litio pueden almacenar hasta el doble de energía por kg que las de fosfato de hierro y litio. Eso marca una gran diferencia cuando intentas alcanzar objetivos estrictos en términos de espacio y capacidad de la batería.

Aplicaciones

Si eres un tipo de persona más estable que busca seguridad y fiabilidad, o si trabajas en un sector en el que la seguridad y la fiabilidad son de la máxima importancia, el Li-Fosfato es una alternativa idónea en cuestión de baterías recargables. Se adapta mejor a aplicaciones como vehículos eléctricos (EV) o instrumental médico, donde no te puedes permitir un fallo catastrófico. Los motores EV también se beneficiarán de la alta tasa de descarga de las baterías de litio-ferrofosfato.

Tal vez quieras ir un poco más al límite y divertirte lo más posible en la vida. Si tus dispositivos son como tú, necesitarán una batería de iones de litio. Objetos como teléfonos móviles, ordenadores y cámaras fotográficas necesitan toda la energía que puedan conseguir. Además, suelen tener una vida útil de unos 2 años, que las baterías de Li-Ion pueden igualar o incluso superar

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Sobre el autor / Sobre la autora

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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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