Batería de fosfato de hierro y litio vs ion de litio en sistemas integrados

Dos de las opciones de baterías para sistemas integrados más populares son las baterías de iones de litio (también conocidas como batería Li-Ion) y las baterías de fosfato de hierro y litio (LiFePO4 o batería de fosfato de litio). Estos dos tipos de baterías tienen características de carga y descarga muy distintas, aunque comparten una química similar y utilizan, en parte, las mismas capas y materiales.

En algunos sistemas integrados se puede usar tanto una batería de iones de litio como una batería litio fosfato de hierro, pero cada una tiene ventajas específicas según la aplicación. La elección depende de factores como 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 más adecuada para tu próximo sistema integrado, deberás considerar estas características eléctricas, así como el coste y el tamaño de las diferentes opciones. Entender la diferencia entre las baterías de litio y Li-Ion te permitirá seleccionar la tecnología que mejor se adapte a tus necesidades.

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

Estos dos tipos de baterías de litio tienen varias características en común. La química en cada una de ellas es similar, al igual que los materiales y capas que se utilizan para su fabricación. Ambas baterías funcionan mediante reacciones electroquímicas reversibles en las que intervienen iones de litio, lo que en sentido estricto haría que las dos se consideren baterías de iones de litio. De hecho, en el sector de los materiales para baterías muchos profesionales ni siquiera hacen una distinción estricta.

Sin embargo, la realidad es que existen diferencias clave que han llevado a clasificarlas en categorías distintas, incluso si el material base de la batería es similar.

Ambos tipos de baterias utilizan un ánodo de grafito capaz de almacenar una cantidad significativa de iones de litio durante la carga. La diferencia principal no está en el ánodo, sino en la forma en que los iones interactúan con el cátodo. En la batería de iones de litio tradicional, el proceso limitante está en la desorción y la reducción en el cátodo, lo que influye directamente en la capacidad, la tasa de descarga y el voltaje de salida.

Por su parte, la batería de fosfato de hierro y litio (también llamada batería litio fosfato de hierro o batería de fosfato de litio) está ganando reconocimiento en la industria manufacturera. Sus ventajas incluyen menor toxicidad, menor coste de materiales y una gran estabilidad a altas temperaturas, lo que la convierte en una alternativa muy competitiva frente a las baterías Li-Ion convencionales.

_{¿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 en un portátil, lo más probable es que sea gracias a una batería de polímero de litio o a una batería de iones de litio. Ambas tecnologías están muy presentes en nuestra vida diaria, pero cuando se comparan con las baterías de fosfato de hierro y litio, se pueden observar diferencias importantes en rendimiento, seguridad y durabilidad. Estas son algunas de las diferencias clave entre las baterías de iones de litio y las de ferrofosfato:

Batería Li-Ion (iones de litio)

Cuando la mayoría de la gente habla de baterías Li-Ion, en realidad podría estar refiriéndose a cualquiera de los diferentes tipos de baterías de iones de litio. Las más comunes en aplicaciones de consumo son las de óxido de litio y cobalto (LiCoO₂), que utilizan este compuesto como material del cátodo.

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 destacar que el óxido de litio y cobalto se cargará y descargará de manera extremadamente lenta a bajas temperaturas.

Batería de fosfato de hierro y litio

La batería de fosfato de hierro y litio (también conocida como batería litio fosfato de hierro o simplemente batería de fosfato de litio) emplea un cátodo de ferrofosfato. Aunque presenta un voltaje y una energía específica más bajos que las baterías Li-Ion, ofrece ventajas muy competitivas en cuanto a seguridad, vida útil y estabilidad.

Sus características principales son:

• 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 entre baterías de fosfato de hierro y litio y baterías de iones de litio

Al comparar una batería de fosfato de hierro y litio con una batería de iones de litio, se observa de inmediato que las baterías Li-Ion tienen una energía específica más alta, pero una tasa de descarga más baja. Esto significa que una batería Li-Ion es una buena alternativa para dispositivos portátiles de alto consumo que requieren un flujo constante de corriente a una tensión relativamente baja.

Por otro lado, la mayor tasa de descarga de las baterías de fosfato de litio permite que estas proporcionen ráfagas de corriente mucho más altas cuando es necesario y que, además, puedan recargarse con rapidez. Esta característica resulta especialmente ventajosa en aplicaciones como los motores eléctricos, donde la demanda de energía es intensa y variable. Para ponerlo en contexto, la tasa de descarga de 1 C en una batería de iones de litio se queda corta frente a la de una batería litio fosfato de hierro, que puede alcanzar hasta 25 C.

Además de una vida útil en ciclos normalmente más larga, otra diferencia clave entre estos dos tipos de baterías está en la especificación de embalamiento térmico. Este fenómeno ocurre durante procesos de carga y descarga rápidos, cuando la generación de calor en los electrodos es mayor que la capacidad de disiparlo en el entorno. Una vez que la temperatura interna de la batería supera su umbral de embalamiento térmico, se produce una reacción descontrolada que puede comprometer la seguridad.

En resumen, la diferencia entre batería de litio y Li-Ion frente a una batería de fosfato de hierro y litio no solo está en la densidad de energía, sino también en la seguridad, la capacidad de descarga y la durabilidad.

_{Fallo catastrófico de una batería de iones de litio}

Seguridad y eficiencia: fosfato de hierro y litio vs iones de litio

Dado que una batería de fosfato de hierro y litio tiene una temperatura de embalamiento térmico más alta, puede usarse en entornos más cálidos con un riesgo mucho menor de fallo. Además, presenta una ventaja importante en cuanto a los materiales utilizados en el cátodo. A diferencia de las baterías de óxido de litio y cobalto (un tipo de batería Li-Ion), las de fosfato de hierro no contienen cobalto, un material altamente tóxico y con serios cuestionamientos éticos relacionados con su extracción.

Por otro lado, el alto contenido energético de una batería de iones de litio la hace más vulnerable a riesgos como incendios o explosiones. Existen múltiples modos de fallo en las baterías Li-Ion, lo que dificulta cubrir todas las posibilidades de riesgo. En dispositivos electrónicos portátiles, el ciclo de vida depende de la frecuencia con la que un usuario descarga y recarga su equipo. Esto deja el destino de la batería en manos de alguien que, en la mayoría de los casos, desconoce los riesgos asociados a estas tecnologías.

En cambio, la batería litio fosfato de hierro tiene una densidad de energía menor, pero una química mucho más estable, lo que significa que no se quemará ni explotará, incluso si llega a fallar. En resumen: las baterías de fosfato de litio son considerablemente más seguras que las baterías de iones de litio tradicionales.

Sin embargo, a pesar de la mayor seguridad y la alta tasa de descarga de las baterías de fosfato de hierro y litio, las baterías Li-Ion siguen teniendo una ventaja clave: pueden almacenar hasta el doble de energía por kilogramo. Esto no se debe a que el ánodo retenga más litio necesariamente, sino al diseño general de la celda. En dispositivos electrónicos portátiles, donde cada gramo y cada milímetro cuentan, esta diferencia en densidad energética marca un punto decisivo a la hora de alcanzar objetivos estrictos de espacio y capacidad.

Aplicaciones de las baterías de fosfato de hierro y litio y las de iones de litio

Si buscas seguridad y fiabilidad, o trabajas en un sector donde estos factores son críticos, la batería de fosfato de hierro y litio es la opción ideal entre las baterías recargables. Este tipo de batería se adapta especialmente bien a aplicaciones en las que un fallo catastrófico no es una opción, como en vehículos eléctricos (EV), sistemas de almacenamiento de energía y instrumental médico. Los motores eléctricos de vehículos también se benefician de la alta tasa de descarga que ofrecen las baterías de litio fosfato de hierro.

En cambio, si lo que buscas es máxima densidad de energía para dispositivos portátiles, la mejor alternativa sigue siendo la batería de iones de litio (Li-Ion). Teléfonos móviles, ordenadores portátiles, cámaras fotográficas y otros dispositivos electrónicos de consumo requieren toda la energía posible en el menor espacio, y ahí es donde las baterías Li-Ion marcan la diferencia. Aunque su vida útil promedio es de unos dos años, en muchos casos pueden igualar o incluso superar esa expectativa con un buen uso.

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