Celdas LiFePO4: Todo lo que nunca te contaron

Las celdas prismáticas LiFePO4 han emergido como las preferidas entre los entusiastas del DIY (bricolaje) de baterías, posicionándose como la opción líder en la industria de las baterías de litio. A medida que los vehículos eléctricos (VE) han ido ganando terreno en el mercado, las celdas prismáticas LiFePO4 se han vuelto cada vez más familiares y su uso se ha diversificado en una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, sorprende que aún haya un desconocimiento generalizado acerca de la estructura interna y funcionamiento de las celdas LiFePO4.

¿Qué son las celdas prismáticas LiFePO4?

En comparación con las celdas cilíndricas LiFePO4, las celdas prismáticas LiFePO4 son relativamente nuevas en el mercado. Como su nombre sugiere, estas celdas tienen una forma prismática y albergan en su interior todos los elementos característicos de las baterías LiFePO4, como el electrolito, el electrodo positivo de LiFePO4 y el electrodo negativo de carbono. Cuando estos componentes se someten a reacciones químicas, generan una corriente eléctrica constante de tipo DC a un voltaje de 3.2V por celda, voltaje que permanece casi invariable durante su descarga, característica que le hace ideal para muchos proyectos.

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Construcción de las Celdas Prismáticas LiFePO4

La estructura de las celdas prismáticas LiFePO4 puede desglosarse en dos partes esenciales: la interna y la externa.

Estructura interna: ¿cómo es una celda LiFePO4 prismática por dentro?

La estructura interna de estas celdas se compone de cuatro componentes clave: el electrodo positivo, el electrodo negativo, el electrolito y el separador. Estas celdas prismáticas adoptan un diseño laminado o enrollado para maximizar su capacidad de almacenamiento de energía. El material del electrodo positivo está compuesto por LiFePO4 de estructura olivina, mientras que el electrodo negativo se basa en carbono. Un separador de polímero se interpone entre estos materiales para permitir únicamente el paso de iones de litio, mientras que los electrones circulan a través del circuito externo, generando electricidad.

Estructura externa: lo que vemos

La estructura externa de las celdas prismáticas LiFePO4, aunque ligeramente diferente a las celdas convencionales, conserva similitudes importantes. Estas celdas se alojan en una carcasa de aluminio o acero inoxidable y cuentan con dos puertos de conexión en su exterior, identificados como el electrodo positivo y el electrodo negativo mediante los símbolos «+» y «-«, respectivamente. Algunos fabricantes de baterías también incorporan dos postes en la ubicación del terminal de la batería para facilitar su uso por parte de los consumidores. Entre los electrodos positivos y negativos en el exterior de las celdas prismáticas LiFePO4, se encuentra una válvula a prueba de explosiones o válvula de seguridad, que, aunque las baterías LiFePO4 son inherentemente seguras, actúa como un mecanismo preventivo ante eventualidades muy poco probables.

Es importante señalar que el recubrimiento de color, ya sea azul u otro, que envuelve muchas de estas celdas, es, en realidad, una capa aislante que previene descargas eléctricas y evita posibles incidentes cómo un cortocircuito. Algunos fabricantes optan por encapsular las celdas prismáticas en una carcasa de batería, como CALB. Ya sea mediante el revestimiento o la carcasa, estos componentes resultan beneficiosos tanto para el fabricante como para el consumidor.

Adicionalmente, los componentes de conexión, como los busbars, cumplen un rol crucial al conectar dos celdas al ensamblar un paquete de batería completo. Elementos como arandelas y tuercas también son imprescindibles para configurar un paquete de batería integral. Estos pequeños accesorios no deben pasarse por alto en el proceso de montaje – explicamos todo al detalle aquí LiFePO4 DIY: guía para montar tu propia batería.

¿Qué reacciones químicas ocurren en una batería LiFePO4?

Las reacciones químicas que ocurren en una batería LiFePO4 durante la carga y la descarga son la siguientes:

Carga (reacción en el ánodo):

1. En el ánodo de la batería LiFePO4, las partículas de fosfato de hierro (FePO4) contienen iones de litio (Li+). Durante la carga, los iones de litio se liberan de las partículas de FePO4 y se convierten en iones de litio liberados (Li+).
2. La reacción química en el ánodo se puede representar de la siguiente manera: FePO4 (ánodo) + Li+ (en el electrolito) → FePO4-x (donde x < 1) + xLi+

Descarga (reacción en el cátodo):

1. En el cátodo, las partículas de fosfato de hierro (FePO4) no contienen iones de litio en su estado completamente descargado. Durante la descarga, los iones de litio que se encuentran en el electrolito se mueven hacia las partículas de FePO4 en el cátodo.
2. La reacción química en el cátodo se puede representar de la siguiente manera: Li+ (en el electrolito) + FePO4 (cátodo) → FePO4-x (donde x > 0) + xLi+

Durante la descarga, los iones de litio se insertan en las partículas de FePO4, lo que hace que el cátodo sea rico en iones de litio (Li+) y se libere energía eléctrica que se utiliza para alimentar dispositivos o aplicaciones.

Es importante destacar que en una batería LiFePO4, el fosfato de hierro (FePO4) se mantiene relativamente estable durante las reacciones de carga y descarga, lo que contribuye a la estabilidad y la seguridad de estas baterías en comparación con otras baterías de iones de litio que pueden experimentar problemas de seguridad, como el sobrecalentamiento o la liberación de oxígeno.

Ventajas de las celdas prismáticas LiFePO4

Cuando se comparan con las celdas cilíndricas LiFePO4, las celdas prismáticas ofrecen una serie de ventajas significativas. Estas celdas tienen una densidad de energía elevada, lo que las hace ideales para aplicaciones generales. Además, poseen una mayor resistencia a la sobrecarga y la sobre-descarga, son más ligeras y su forma cuadrada permite aprovechar al máximo el espacio disponible, permitiendo el almacenamiento de una mayor cantidad de energía en un espacio limitado.

Para los aficionados al bricolaje, una de las mayores ventajas radica en la capacidad individual de estas celdas. En la actualidad, algunas de las celdas prismáticas LiFePO4 más populares tienen una capacidad que supera los 300Ah, lo que facilita la construcción de sistemas de gran capacidad con relativa comodidad.

Seguridad: No arden, no explotan. Para mi, la mayor de las ventajas es poder dormir tranquilo

Un aspecto adicional y esencial a considerar es que prácticamente todos los fabricantes de baterías están enfocados en la investigación y desarrollo de celdas prismáticas. Dado que la historia de estas baterías es relativamente corta, existe un amplio espacio para la innovación y la mejora continua. Las celdas prismáticas están en constante evolución, lo que representa una ventaja significativa para los consumidores.

Desventajas de las celdas Prismáticas LiFePO4

A pesar de sus numerosas ventajas, las celdas prismáticas LiFePO4 también presentan algunas desventajas que es importante considerar al evaluar su idoneidad para aplicaciones específicas:

1. Costo Inicial: En comparación con algunas otras tecnologías de baterías, las celdas prismáticas LiFePO4 pueden tener un costo inicial más alto. Sin embargo, es crucial tener en cuenta que este costo se ha ido reduciendo a medida que la tecnología ha avanzado y la demanda ha aumentado.
2. Peso: Aunque son más ligeras que algunas baterías de plomo-ácido, las celdas prismáticas LiFePO4 aún pueden ser más pesadas que otras tecnologías de baterías de litio, lo que puede ser una consideración importante en aplicaciones donde se busca minimizar el peso.
3. Tasa de descarga limitada: En comparación con algunas otras tecnologías de baterías de litio, las celdas prismáticas LiFePO4 pueden tener una tasa de descarga más baja. Esto significa que pueden no ser la mejor opción para aplicaciones que requieren una descarga rápida y alta potencia, como algunos vehículos eléctricos de alto rendimiento.
4. Mayor volumen: A pesar de su forma más eficiente, las celdas prismáticas LiFePO4 pueden ocupar más volumen en comparación con otras baterías de litio de alta densidad energética. Esto puede limitar su idoneidad en aplicaciones donde el espacio es un factor crítico.
5. Voltaje mominal: Las celdas prismáticas LiFePO4 tienen un voltaje nominal de alrededor de 3,2 a 3,3 voltios, lo que puede ser diferente de las baterías de plomo-ácido convencionales, que tienen un voltaje nominal de 2 voltios. Esto puede requerir modificaciones en algunos sistemas existentes para garantizar una compatibilidad adecuada.
6. Carga más lenta: En comparación con algunas tecnologías de baterías de litio, las celdas prismáticas LiFePO4 pueden tener una velocidad de carga más lenta. Esto puede ser una desventaja en situaciones donde se requiere una recarga rápida.
7. Capacidad de almacenamiento limitada: A pesar de tener una alta densidad de energía, las celdas prismáticas LiFePO4 pueden tener una capacidad de almacenamiento más limitada en comparación con otras baterías de litio de alta densidad energética, como las celdas de óxido de níquel-cobalto-manganeso (NCM) o las celdas de óxido de litio y cobalto (LiCoO2).
8. Sensibilidad a la temperatura: Al igual que otras baterías de litio, las celdas prismáticas LiFePO4 pueden ser sensibles a las temperaturas extremas. Su rendimiento puede verse afectado negativamente a temperaturas extremadamente bajas o altas, lo que requiere sistemas de gestión de temperatura adecuados en algunas aplicaciones.

Es importante tener en cuenta que las desventajas de las celdas prismáticas LiFePO4 pueden variar según la aplicación específica y las necesidades del usuario. Antes de seleccionar este tipo de batería, es esencial evaluar cuidadosamente si sus características y desventajas son compatibles con los requisitos de la aplicación en cuestión.

En Resumen Las celdas prismáticas LiFePO4 están ganando cada vez más popularidad y se están consolidando en diversas aplicaciones, desde el almacenamiento de energía en el hogar, coches eléctricos, embarcaciones marítimas y vehículos recreativos. Su amplia capacidad y excelente rendimiento están siendo reconocidos por un número creciente de usuarios. No obstante, es fundamental comprender en profundidad estas celdas cuando se trabaja con ellas, ya que esta comprensión resulta clave en su uso efectivo.