En los últimos años, surgieron muchos tipos de baterías de iones de litio. Sus principios de operación básicos son similares (ver Baterías de iones de litio para la energía más concentrada), pero cada nuevo tipo ofrece ventajas y desventajas diferentes, lo que las hace más adecuadas para usos específicos que aprovechan sus propiedades.
Las baterías de litio-ferrofosfato, también denominadas baterías Beltway
Este tipo de batería está categorizada por su capacidad exclusiva para cargarse por completo en un breve periodo de tiempo. La fórmula química del terminal positivo, o cátodo es LiFePO4, litio ferrofosfato; por lo tanto, generalmente se las denomina baterías LFP. La batería de litio ion fosfato es en gran medida inmune al problema de la fuga térmica, que puede ocasionar explosiones y demás percances en algunas de las otras variaciones. El motivo de esto es la potencia del enlace químico entre el hierro, el fósforo y el oxígeno en el cátodo. Si la batería está sujeta a una condición desestabilizadora, como un cortocircuito, el oxígeno queda encerrado más herméticamente y es menos probable que se revierta a gas, alimente una chispa y ocasione un evento destructivo.
El factor que hace posible que este tipo de ion de litio se cargue con rapidez es la tasa de entrada de iones de litio en el cátodo, que tiene "túneles" en el interior del cuerpo que conducen al exterior. La clave está en crear una estructura sobre la superficie del electrodo, una "vía" que conduzca los iones de litio directamente a un túnel que transporte rápidamente los iones hacia la profundidad del electrodo, lo que agiliza en gran medida el proceso de carga.
La "vía" se crea revistiendo el electrodo con un compuesto de litio, hierro y fósforo en diferentes proporciones de las que componen el electrodo en sí. El calor produce la formación de una capa similar al vidrio, que se cubre con las vías que conducen los iones directamente a los túneles.
Además de la mayor velocidad de carga, la batería de ion de litio también proporciona energía más rápidamente (densidad energética). No puede retener tanta carga por libra (densidad energética) como la masiva batería de óxido de litio cobalto que se encuentra en muchos dispositivos móviles de consumidores.
Tiene un rendimiento estable de 3,2 V hasta que está casi agotada, lo cual, en muchas aplicaciones, puede simplificar en gran medida el sistema de circuitos de control necesario para todas las baterías de iones de litio. De hecho, en algunos casos, es posible colocar cuatro en serie y utilizar el paquete como sustituto directo de una batería de plomo y ácido de 12 V. Debido a que no contiene cobalto, el reciclaje se simplifica, lo que hace que este tipo de batería de iones de litio sea bastante estable en comparación con otras baterías de iones de litio y que genere menos calor externo. Esto, junto con la rapidez de carga y descarga de este tipo de batería de iones de litio, puede ser el motivo por el cual la Marina invirtió mucho dinero en esta tecnología para su proyecto de armas de cañones de riel cinéticos a bordo.
Titanato de litio
Si bien el cátodo recibe toda la atención en la batería Beltway, en la batería de titanato de litio (LTO) el ánodo es la característica de interés. Carece de carbono y está recubierto con nanocristales de titanato de litio (Li4Ti 5O12). Esto le proporciona al ánodo una superficie treinta veces más eficaz en comparación con la de un electrodo de carbono típico. Una mayor superficie implica un tránsito más rápido de electrones que entran o salen del electrodo, lo que se traduce en tiempos de carga más rápidos y mayor corriente pico, de ser necesario, durante la descarga. Además, dado que el carbono es un factor de sobrecalentamiento y fuga térmica que afecta a muchos otros tipos de baterías de iones de litio, la batería LTO es una opción muy segura.
Además de la mayor rapidez de carga, otra característica importante de este tipo de batería de iones de litio es que resiste más de 1500 ciclos de carga y descarga. Una vez completada la vida útil, estas baterías de iones de litio son fáciles de desechar porque el titanio es, sin dudas, no tóxico. Otra característica de interés es su notable eficiencia: por cada 100 horas-watt de carga del dispositivo, se devuelven más de 95 horas-watt durante la descarga.
No obstante, una desventaja importante de las baterías LTO es que su química produce una tensión de 2,4 V. Es no solo es demasiado bajo para muchos tipos de dispositivos semiconductores sino que además contribuye a la densidad de energía algo oprimida de las LTO.
Ánodo de dióxido de titanio
Una nueva batería con base en un ánodo de dióxido de titanio puede cargarse hasta dos tercios de su capacidad máxima en menos de dos minutos. Se espera que esté disponible en el mercado dentro de dos años. Este prototipo, desarrollado por Chen Xiaodong de la Universidad de Nanyang en Singapur, también se promociona por su capacidad de cargarse y descargarse 10 000 veces. Si esto es así, significa que los usuarios de vehículos eléctricos nunca deberán cambiar la batería de su automóvil.La clave de esta tecnología es, una vez más, la nanotecnología. El dióxido de titanio del ánodo está presente en forma de nanotubos, lo que acelera el traslado químico hacia la profundidad del ánodo y, por lo tanto, se acelera la carga. Uno de los motivos por el cual se espera que esta tecnología avance rápidamente hacia la comercialización es la facilidad con la cual puede producirse el ánodo: esencialmente un gel de nanotubos. Implica poco más que mezclar nanopartículas de dióxido de titanio con hidróxido de sodio a la temperatura adecuada.
Los desarrolladores de este tipo de batería indican que la eventual adopción de los fabricantes de VE significará un desafío interesante. Las estaciones de carga de batería disponibles actualmente para cargar VE solo necesitan suministrar corriente suficiente para cargar completamente el vehículo en horas. Un VE equipado con esta nueva batería puede absorber la misma cantidad de carga en minutos, lo que requiere de estaciones de carga que puedan proporcionar aproximadamente 100 veces el amperaje requerido actualmente.
Baterías de iones de litio de estado sólido
Esta clase de batería de iones de litio presenta un electrolito inorgánico de estado sólido, en oposición a los electrolitos orgánicos de estado líquido de las baterías comerciales actuales. Con un electrolito de estado sólido no existen posibilidades de fuga, y se disminuye considerablemente el riesgo de incendios dado que los electrolitos de estado sólido no son particularmente inflamables. Esto elimina un peligro importante asociado con las baterías de iones de litio y, solo por ese motivo, resultan de gran interés a todos los usuarios actuales y potenciales.
Figura 1: El electrolito de estado sólido elimina la posibilidad de líquidos inflamables. (Fuente: Charged)
La barrera principal hacia el éxito es el lento movimiento de los iones a través del electrolito sólido. En la Universidad de Tokio se logró un éxito parcial con un electrolito de litio, germanio, fósforo y azufre de estado sólido. Aquí, la tasa de flujo del ion equivale a lo que puede observarse usualmente en los electrolitos líquidos. No obstante, en este punto, no se logró que el nuevo electrolito funcione bien con el ánodo de la batería.
Otros investigadores desarrollaron electrolitos de estado sólido que funcionan bien con el ánodo, pero a costa de una permeabilidad a los iones más lenta. También se observaron problemas en el cátodo, dado que la capa aislante que se forma entre éste y el electrolito de estado sólido demostró ser problemática.
Todos los observadores acuerdan que aun tras encontrar la combinación correcta de electrodo, cátodo y electrolito, los desafíos que deben superarse para la fabricación son extraordinarios. El Dr. Chihiro Yada de Toyota está investigando el transporte de iones hasta un nivel "nanoestructural" y, si bien se está progresando, no se prevé la salida del producto comercial hasta el 2020.
A pesar del hecho de que las baterías de iones de litio han estado con nosotros desde la década de 1970, la tecnología aún se beneficia de las innovaciones continuas en química y nanotecnología. Las baterías de iones de litio están ahora, y continuarán estando, en la trama del progreso de dispositivos electrónicos móviles, del transporte y de la generación de energía.