Litio-ioizko bateria

Litio-ioizko bateria edo Li-ioi bateria (LIB gisa laburtua) bateria kargagarri bat da, litio ioiak elektrodo negatibotik elektrodo positibora mugitzen direnak kargatzean eta alderantziz deskargatzean. Li-ioi bateriek litiozko konposatu bat erabiltzen dute, elektrodo material gisa. Elektrolitoak, mugimendu ionikoa ahalbidetzen dutenak eta bi elektrodoek litio-ioizko bateria osatzen dute.

Litio-ioizko bateriak etxeko elektronikan oso arruntak dira. Elektronika eramangarriko bateriak kargatzeko erabilienak dira, energia-dentsitate handikoak, memoria-efektu txikiak eta auto-deskarga baxuak direlako. Bestalde litio ioizko bateriak oso erabiliak dira gaur egungo militaritzan, ibilgailu elektrikoetan eta aereoespazioko aplikazioetan.

Kimika, errendimendua, kostua eta segurtasun ezaugarrien arabera LIB mota desberdinak daude. Eskuko elektronikan LIBS bat erabiltzen da, litio kobaltoaren oxidoan oinarrituta dagoena (LiCoO2), energia-dentsitate handia eskaintzen duena, baina segurtasun arriskuak aurkezten dituena hondatua dagoenean. Litio ioi fosfatoaren (LiFePO4), litio ioizko manganeso oxidoaren bateria (LiMn2O4, Li2MnO3, edo LMO), eta litio nikel manganeso kobaltoa oxido (LiNiMnCoO2 edo NMC) energia-dentsitate txikiagoak eskaintzen dituzte, bizitza luzeak eta mundu errealaren erabilerarako zorigaiztoko gertakarien aukera gutxiago (adibidez, sua, leherketa, eta abar). Bateria horiek oso erabiliak dira tresna elektrikoetarako, mediku ekipamenduetarako eta beste roletarako.

Historia 
M. Stanley Whittingham-ek proposatu zituen gaur egungo Birghamton univertsitatean. Whittingham-ek TiS edo titanio(II) sulfuroa eta litioa erabili zitueen elektrodo moduan.

1985.urtean, Akira Yoshinok bateria prototipo bat egin zuen, non karbonozko elektrodo bat (litio ioiak sar zitezkeen) eta LiCoO2 erabili zuen. Litio metalikozko materialak ez erabiltzeak segurtasunean hobekuntza handia ekarri zuen litioa erabiltzen zuten baterietan. Litio kobalto oxidoaren erabilerak produkzio industriala erraztu zuen. Hau izan zen litio ioizko baterien sorrera.     Bateria modernoak eta komertzializazioa.

1989, John B. Goodenough eta Arumugam Manthiramek Texaszko Unibertsitatean (Austinen), demostratu zuen polianioiak dituzten katodoek, oxidoek baino boltai handiagoak sortzen dituztela efektu induktiboarengatik.

1991, Sony y Asahi Kaseiek lehenengo litio ioizko bateria komertziala atera zuten merkatura.

1996, Goodenough, Akshaya Padhi  eta bere laguntzaileek litio ioi fosfatoa (LiFePO4) eta beste fosfato-olibinoak (litio metalezko fosfatoak, olibinoen egitura berdinarekin) elektrodoentzako materialtzat  identifikatu zuten.

2002, Yet-Ming Chiang yeta berte MIT-eko laguntzaileek litio ioizko baterien errendimenduan  hobekuntza handia lortu zuten, aluminioa, niobioa eta zirkonioa dopatze bidez materialaren eroankortasuna areagotuz.

2004, Chiang-ek berriro errendimendua handitu zuen 100 nanometroko diametro baino gutxiagoko burdinazko fosfatozko partikulak erabiliz.

2011, as baterías de Li-ion supusieron el 66% de todas las baterías recargables en Japón.

2015, Tesla Motors konpainiak bi energia biltegiratze sistemak aurkeztu zituen, litio-ioizko bateriak erabiliz, Tesla Powerwall. Honen helburua energia berriztagarrien elektrizitatea gordetzea zen, hala nola fotovoltaikoa edo haizea.

Gaur egungo egoera 
Gaur egun bateria mota asko daude. Lehen postuan berun azidozkoak daude. Hauek bikainenak bezala ezagutzen dira eta zaharrenetarikoak diren arren oso zabalduak daude gizartean. "Baterias de arranque" bezala ezagutzen dira, hain zuzen ere autoen eta beste hainbat ibilgailuen bateriak berpizteko erabiltzen dira.

Bigarren postuan daudenak Nikel/Kadmiozkoak dira. Hauek aurrekoen aldean teknologikoki dezente aurreratuegoak diren arren salmenta kontrolatua dago Kadmioa toxikoki aktiboa baita.

Hirugarren mailan aurrekoaren bertsio hobetu gisa Nikel metal hidrurozkoak dira merkeagoak dira eta bolumen berean energia gehiago gordetzeko ahalmena dute. Hala ere Ni-Cd motakoa gehiago erabiltzen dira kontsumo txikiak edo eta deskarga maila handiak dituzten gailuetan.

Laugarren postuan izango genituzke litio ioizko bateriak

Funtzionamendua 
Deskaga bitartean, litio ioiak elektrodo negatibotik elektrodo positibora higitzen dira elektrolitoetatik, eta elektroiak, aldi berean, kanpo zirkuitotik norabide berdinean higitzen dira ere. Bateria kargatzen dagoenean, kontrakoa gertatu ohi da. Hona hemen ekuazio batzuk kimikoki azalduz

Erredox erreakzioa: 
Litio ioizko pilan erredox erredakzioak gertatzen dira:
Elektrodo positiboan (katodoan) erredukzioa gertatzen da, hau da elektroiak jasotzen ditu:
Erdi-erreakzioa-> CoO2 + Li+ + e-↔ LiCoO2
Elektrodo negatiboan (anodoan) oxidazioa gertatzen da, hau da elektroiak ematen ditu:
Erdi-erreakzioa-> LiC6 ↔ C6 + Li+ + e-
Erreakzio osoa: LiC6 + CoO2 ↔ C6 + LiCoO2

Elektrokimika 
Elektrokimikan, erreaktiboak litio ioi baterietan elektrodo positiboak eta negatiboak dira eta elektrolitoak elektrodoen arteko mugimendua ahalbidetzen dutenak. Energia elektrikoa bateriatik higitzen da kanpo zirkuitu bateko elektroien karga edo deskargaren ondorioz.

Bi elektrodoek ahalbidetzen dute litio ioien higidura beraien estrukturaren barnetik eta kanpotik, non prozesu horiei sarrera eta irteera deritze hurrenez hurren.Deskaga bitartean, litio ioiak elektrodo negatibotik elektrodo positibora higitzen dira elektrolitoetatik, eta elektroiak, aldi berean, kanpo zirkuitotik norabide berdinean higitzen dira ere. Bateria kargatzen dagoenean, kontrakoa gertatu ohi da. Hona hemen ekuazio batzuk kimikoki azalduz.

Litiozko ioi bateri batean, elektrodo positiboetatik negatiboetara higitzen dira metal transizioa oxidatuz, Co3+tik Co4+ra kargatzean, eta deskargatzean Co4+etik

Co3+ra. Kobalto elektrodoa x < 0.5 (x, moletan) bakarrik da itzulgarria, deskarga posible guztia limitatzen. Bateria hau SONYk garatu zuen 1990. urtean.

Abantailak 
Azken urteetan asko erabiltzen den teknologia da elektronika naiz elektrika kontuetan (ordenagailu portatiletan, mugikorretan, MP3-etan…) hainbat abantaila baititu:
Energia dentsitate handia du. Pisu eta bolumen unitate bakoitzeko karga asko gordetzen dute. Nikel/kadmiozkoen aldean adibidez bolumen txikiagoarekin karga berdina edo handiagoa gorde dezakete.
Pisu gutxi dute beste bateri batzuekin alderatuz almazenatutako kargaren aurrean.
Zapalak dira eta honek asko laguntzen du toki gutxi duten gailuei aplikatzerako orduan.
Zelulako boltai altua du, konkretuki bateria bakoitzari 3,7ko voltaia dagokio, Ni/Cd-zko baterien hirukoitza.
Erreztasun handia ematen du zenbat karga duen jakiterako orduan. Nahikoa da bateriaren voltaia neurtzea, metatuta duen energia neurtutako voltaiaren funtzioan baitoa
Autodeskarga tasa oso baxuak dituzte. Bateriak, gordeta izanda ere, beraiek bakarrik deskargatzen joan ohi dira. Bateria mota hauen kasuan hilabeteko %6a autodeskargatzen da nahiz eta ez erabili eta gordeta izan. Konparaketa moduan aipatzekoa da Nikel-Metal hidrurozko baterien autodeskargatze tasa hilabeteko %20koa dela.

Desabantailak 
Dituen alde on guztiez gain, ez da energia metatzeko sitema perfektu bat eta desabantailak ditu.

Hemen batzuk:
Karga kopuru limitatuak dituzte, 300 eta 1000 tartean, nikel/kadmiozkoek baina gutxiago
Garestiak dira, nikel/kadmiozkoak baino garestiagoak
Erabilpenarekin asko berotzen dira eta lehertzera ere heldu daitezke
Tenperatura hotzekin bere errendimendua asko jaisten da, bateriaren iraupena %25 jaistera heldu daitekelarik. Kasu honetan ere nikel/kadmiozkoak dezente hobeak dira ez baitiete tenperaturak horren beste eragiten

Motak 
Kontuan izan  behar da litiozko bateria konbinazio ugari daudela merkatuan, eta horrek hainbat ezaugarri sor ditzake. Horien artean aurkitzen ditugu:
Litio ioi polimerozko bateriak: Litio-ioizko abantailak litio polimeroarekin(litiozko elektrolitoa ez dago disolbatzaile organiko batean murgildua, baizik eta oxidoa bezalako konposatu polimeriko batean, hala nola, polietileno edo poliacrilonitrilo) konparatuz honako hauek dira: fabrikazio-kostu txikiagoak, ontziratze-forma anitzak, fidagarritasuna eta indarra.
Litio burdin fosfatozko (LiFePO4) bateriak: LFP 11 bezala ere ezaguna. Litio ioizko baterien kasuan, LiCoO2 osagairik garestienetariko bat da, litio burdina fosfatozko bateriak ordea merkeagoak dira .
Litio burdin fosfatoaren olibino mota: 10 urte inguru iraun dezakete egunean behin kargatuko balira. Bizitza luzea izateaz gain, oso azkar kargatzen dira, bi ordu bakarrik behar baitituzte beren gaitasunaren %95era iristeko. Besteak beste, Sony Business Solutions-ek (ESSP-2000) merkaturatzen du.
Litio ioizko manganeso oxidoaren bateria (LiMn2O4, Li2MnO3, edo LMO):
Litio nikel manganeso kobaltoa oxido (LiNiMnCoO2 edo NMC):

Segurtasun neurriak 
Teknologia hauetan, bateria mota hauek azkarren gastatzen diren bateriak izan ohi dira, eta hau saihesteko, segurtasun neurri batzuk hartu ohi dira.

Bateria hauek dira memoria efektu txikiena dituztenak beste teknologia guztien artean,​ horregatik betegabeko ziklo batzuk ondoren beharrezkoa da bateriaren kalibrazio oso bat egitea efektu hau desagerrarazteko. Bere bizitza erabilkorra luzatzeko, zenbait zaintza beharrezkoak dira:

 Esaten dute, ona dela bateria osorik bukatzea nohizean behin, baina ez da egia, hoberena bateria hauek %15-etik ez jeistea izaten da.
 Leku hotz eta beroetan utzi ez gero, bere eraginkortasuna jeisten du, horregatik 15º inguruko tenperaturan edukitzea gomendatzen da.
 Denbora askoz erabili gabe utzi behar bada, %40-ko karga batean utziz egin beharko da eta karga osoan denbora luzez egotea sahiestu behar da.
 Bateria mota hauetan mito asko daude Niquelezko baterien jatorritik, horietako bat aurreneko karga erabakigarria dela esaten da, guztiz gezurra dena.
 Teknologia hauek kargadore aproposekin kargatzea gomendatu ohi da bestela beste kargadore batzuk erabili ez gero, suteak gertatu daitezke., baina hala ere, beste kargadore batzuekin ere kargatu dezakegu, ezaugarri elektriko berdinak dituena noski.
 Gaur egungo teknologietan, jakitea daukagu noiz dagoen guztiz kargatuta bateria, eta karga hori desbideratu dezakegu mugikor osotik.
 Poltsa berezi batzuk ere aurkitu ditzazkegu hauek gordetzeko, oso bateria bereziak dira eta.

Erreferentziak

Kanpo estekak 
  Baterias de litio la alternativa al plomo y al cadmio

Bateria elektrikoak