Sistemas de almacenamiento de energía: Baterías ion litio

Fecha: 30 de Septiembre de 2023

Desde hace años atrás, el Centro de Investigaciones en Óptica preocupado por el cambio climático se ha unido a las estrategias nacionales por el fomento de una transición energética basada en el uso de energías limpias tales como la energía solar. Sin embargo, fue en el 2020 cuando el CIO decidió incorporar las líneas de investigación enfocadas en sistemas de almacenamiento de energía a uno de sus ejes temáticos principales, específicamente en el desarrollo de baterías base de litio. Esta iniciativa surgió como parte del descubrimiento del yacimiento de litio más grande a nivel mundial localizado en el estado de Sonora, el cual se encuentra en exploración para su futura explotación. El litio es un elemento metálico, blanco, altamente reactivo y puede ser encontrado en minerales como espodumena, ambligonita, lepidolita y petalita [1].


Actualmente, este elemento ha sido considerado como el oro blanco, debido a su papel estratégico en la capacidad para almacenar energía, debido a su gran capacidad de acumulación de altas densidades de carga en un espacio pequeño. Por otra parte, las baterías de ion litio son de gran ayuda para soportar las centrales fotovoltaicas y eólicas en zonas rurales, al mismo tiempo que hoy en día son pieza clave para la fabricación de las baterías teléfonos, ordenadores portátiles, y otros dispositivos electrónicos. Además, estas baterías pretenden ser la base de la generación de la electromovilidad en un futuro cercano, a través de su configuración tipo cilindro.

Una batería de ion litio está compuesta por dos electrodos (un ánodo y un cátodo), un separador, un electrolito y dos metales que funcionan como colectores de corriente. El ánodo y el cátodo son los responsables de almacenar el litio. El electrolito transporta iones de litio cargados positivamente desde el ánodo al cátodo y viceversa a través del separador. El movimiento de estos iones de litio genera electrones libres en el ánodo que crean una carga en el colector positivo. Posteriormente, la corriente eléctrica viaja desde el colector de corriente a través de un dispositivo que se está alimentando hasta el colector negativo. La función del separador es evitar el flujo de electrones dentro de la batería [2].

En el grupo de investigación de sistemas de almacenamiento de energía, liderado por investigadores expertos en ciencia de materiales, semiconductores y microelectrónica, se realizan procesos de fabricación de baterías de ion litio tipo botón basados en la manufactura de electrodos, ensamblaje de la celda y su respectiva evaluación. Los cátodos de película delgada para baterías se fabrican mediante procesos físicos como la erosión catódica. Esta técnica se basa en que partículas altamente energéticas bombardean la superficie de un material con suficiente energía como para expulsar uno o más átomos, los cuales posteriormente se depositarán en un sustrato. Este tipo de técnica permite tener un control en la tasa de depósito logrando una buena homogeneidad en áreas grandes y una alta calidad microestructural, además de que es compatible con los procesos de semiconductores base silicio.


Los cátodos que recientemente se han estudiado son materiales base litio LiFePO4 y LiMn2O4 los cuales han demostrado tener una alta densidad de energía además de que los elementos que los constituyen son abundantes en nuestro país y no tóxicos [3]. El ensamblaje de la batería se realiza en una caja de guantes con atmósfera controlada para evitar la reacción exotérmica con la humedad. Finalmente, la batería es caracterizada electroquímicamente a través de un potenciostato con la intención de obtener los valores de voltaje de circuito abierta, ciclos de carga y descarga que nos proporcionen los valores de carga específica de las baterías en cuestión. Actualmente, se realizan esfuerzos para iniciar con la exploración de nuevos materiales alternativos a los convencionales como Li-S y LiO2; configuraciones totalmente de estado sólido; substitución de Li por metales como Na y K; y baterías de iones multivalentes (MVIB) basados en Mg, Ca, Al o Zn los cuales pueden ofrecer mayor energía, una vida útil más larga, carga más rápida, y mayor seguridad de forma económica y manera sostenible.


[1] Dirección general de Desarrollo minero, Perfil de Mercado de Litio, Secretaría de Economía 2018. [2] US Department of Energy, How Lithium-ion Batteries Work, 2023. [3] R.M Ugalde-Vázquez, Journal of the European Ceramic Society 43 (2), 407-418.


Fig. 1. Proceso de fabricación de una batería de ion litio: a) Plasma de iones Ar interactuando con un blanco de LiFePO4, b) ensamblaje una batería en una atmósfera controlada y c) evaluación electroquímica utilizando un potenciostato.