Que teñen as baterías de iones de litio?

PorJake Morrison, escritor de hardware|Sarah Chen|Mike Patterson
Publicado:8 de febreiro de 2025

Case todo o recargable hoxe en día funciona con baterías de iones de litio. O teu teléfono, obviamente. Portátil. Eses auriculares sen fíos que probablemente esteas usando agora mesmo. A tecnoloxía despegou en 1991, cando Sony comercializou as primeiras células de ións de litio para videocámaras, e desde entón está a comer todas as categorías de produtos.

A xente pregunta "que ten as baterías de iones de litio" esperando unha lista sinxela, pero a verdadeira resposta é: mira pola túa casa. Conta os dispositivos recargables. Esa é a túa resposta.

Estas baterías almacenan enerxía movendo ións de litio de ida e volta entre dous electrodos-ánodo a cátodo cando se descargan, inverte a dirección cando as conectas. A química parece complicada, pero o resultado práctico é sinxelo: máis potencia en menos espazo da que poderían xestionar os tipos de batería máis antigas.

What Has Lithium Ion Batteries

Tres motivos. A densidade de enerxía supera todo o demais. Unha célula de iones de litio envasa 150-250 vatios-horas por quilogramo. Compare iso co níquel-cadmio a uns 40-60 Wh/kg. Nin sequera preto.

En segundo lugar, ningún efecto de memoria. Lembras dos vellos teléfonos sen fíos nos que tiñas que esgotar completamente a batería ou "esquecerías" a súa capacidade total? O ión de litio non fai iso. Cargao cando sexa. En terceiro lugar, baixa auto-descarga-que manteñen a súa carga nun estante, perdendo quizais un 2-3 % ao mes fronte ao 20 % das baterías de NiMH.

O custo tamén baixou. Na década dos 90, estas baterías eran o suficientemente caras como para que só as utilizase produtos electrónicos premium. Agora son o suficientemente baratos para os cargadores USB da tenda de dólares. Pois baratoabonda-aínda é máis caro que os alcalinos, pero a capacidade de recarga se recupera rapidamente.

Os teléfonos intelixentes lideran o grupo. O iPhone 15 Pro ten unha batería de 3.274 mAh. Samsung Galaxy S24 Ultra é máis grande con 5.000 mAh. Todos os teléfonos, desde os modelos de prepago de 50 USD ata os buques insignia de 1.500 USD, usan química de iones de litio-normalmente de óxido de litio cobalto (LCO) porque maximiza a capacidade en espazos reducidos.

Os portátiles teñen baterías máis grandes, normalmente 50-80 Wh para ultrabooks, ata 100 Wh para estacións de traballo. En realidade, 100 Wh é o límite legal para transportar baterías nos avións sen unha aprobación especial, polo que os fabricantes de portátiles apuntan a ese número. A FAA estableceu esa regra despois de que algúns incendios de batería de litio nos avións nos anos 2000.

As tabletas están entre-iPad Pro ten uns 40 Wh. Kindle Paperwhite? Pequeña batería de 6 Wh que dura semanas porque a tinta e-mostra potencia de sorbo.

Despois están todas as demais cousas. Ratos e teclados sen fíos (xeralmente células de ión de litio de tamaño AAA-). Altofalantes Bluetooth-JBL, Ultimate Ears, Bose, todos de iones de litio. Controladores de xogos. Reloxos intelixentes. Rastreadores de fitness. Cámaras de seguridade sen fíos. Timbres de vídeo. Cepillos de dentes eléctricos. A serie Oral-B iO usa unha batería de litio que dura dúas semanas entre cargas.

Os AirPods Pro teñen 1,98 Wh de capacidade de batería combinados entre os auriculares e a funda. O que non parece moito ata que te decatas de que están alimentando a cancelación activa de ruído, o procesamento espacial de audio e a conectividade sen fíos durante horas.

What Has Lithium Ion Batteries

Os vehículos eléctricos cambiaron a escala por completo. Tesla Model 3 Long Range contén unha batería de 75 kWh-é dicir, 75.000 watts-hora, ou aproximadamente 1.500 baterías de teléfonos intelixentes por valor de enerxía. Só a batería pesa uns 1.000 quilos.

A maioría dos vehículos eléctricos usan química de níquel manganeso cobalto (NMC) ou fosfato de ferro litio (LFP) en lugar das células pesadas de cobalto- dos teléfonos. NMC ofrece unha boa densidade de enerxía cunha mellor estabilidade térmica. LFP é máis seguro e dura máis-BYD e Tesla usan agora LFP para modelos de gama estándar. O intercambio-é unha menor densidade de enerxía, polo que necesitas máis celas para o mesmo intervalo.

Ford F-150 Lightning ten ata 131 kWh dispoñibles. Rivian R1T pasa a 135 kWh na configuración Max Pack. A gama Lucid Air Dream afirma 112 kWh e supera os 500 quilómetros de autonomía EPA porque os seus motores e electrónicos son tolo eficientes.

As bicicletas eléctricas están en auxe. As bicicletas eléctricas Rad normalmente usan paquetes de 48 V 14 Ah (672 Wh). As bicicletas eléctricas-de gama alta de-Specialized ou Trek teñen baterías de 500-700 Wh. Os patinetes E-son máis pequenos: o Xiaomi M365 usa 280 Wh, os patinetes de aluguer Bird e Lime teñen capacidades similares.

As motocicletas eléctricas seguen sendo un nicho pero crecendo. Zero Motorcycles SR/F ten unha batería de 14,4 kWh. Energica Ego+ empuxa 21,5 kWh. Aínda non o suficiente para viaxes longas por estrada, pero chegar alí.

Tamén veñen barcos. O barco eléctrico X Shore Eelex 8000 funciona cunha batería de 125 kWh. O barco hidroala Candela C-8 utiliza 44 kWh e "voa" sobre a auga para reducir o arrastre. O barco de wakeboard eléctrico Arc Sport costaba 300.000 dólares a última vez que comprobei.

Esta transformación ocorreu rapidamente. Hai vinte anos, os contratistas serios ríanse das ferramentas sen fíos. Hoxe? Milwaukee, DeWalt, Makita, Bosch-todos pasaron ao litio.

O sistema FlexVolt de DeWalt funciona a 20 ou 60 V dependendo da ferramenta. A plataforma M18 de Milwaukee ten máis de 200 ferramentas que comparten o mesmo sistema de batería. As súas baterías de alto rendemento alcanzan unha capacidade de 12 Ah-suficiente para facer funcionar unha serra circular a través de decenas de cortes.

Seguiron equipos de enerxía ao aire libre. Ego Power Plus fabrica un cortacéspedes con batería utilizando un paquete de 56 V 7,5 Ah (420 Wh). Os seus cortadores de cordas, sopladores de follas e mesmo quitanieves funcionan coa mesma plataforma de batería. Ryobi ten un sistema de 40 V. Greenworks ofrece opcións de 60V e 80V para equipos máis grandes.

Os robots aspiradores e cortadoras de herba funcionan con baterías máis pequenas xa que se recargan automaticamente. Roomba j7+ ten uns 60 Wh. Husqvarna Automower usa ión de litio de 18 V, a capacidade varía segundo o modelo.

Os equipos profesionais seguen crecendo. Milwaukee fabrica unha batería de mochila que ofrece 300 Wh para executar varias ferramentas en lugares de traballo. Stihl ofrece motoserras con batería o suficientemente potentes para o traballo comercial de árbores.

Os concentradores de osíxeno portátiles son fundamentais para persoas con enfermidades respiratorias. Inogen One G5 usa unha batería de iones de litio que proporciona 3-6 horas de funcionamento dependendo da configuración de fluxo. Phillips Respironics Simply Go Mini ten como obxectivo unhas 4,5 horas.

As máquinas CPAP para a apnéia do sono ofrecen cada vez máis opcións de batería. CPAP de viaxe ResMed AirMini pode esgotar baterías de litio externas. Útil para acampar ou cortes de luz.

Os audífonos cambiaron recentemente ao litio recargable. Phonak Audeo Paradise carga durante a noite e funciona 16+ horas. Starkey Evolv AI rendemento similar. Moito mellor que xogar con esas pequenas pilas botón de zinc-aire cada poucos días.

Equipos de control médico-monitores de presión arterial, monitores de glicosa, dispositivos de ECG portátiles-moitos agora recargables. AliveCor KardiaMobile grava ECG nun teléfono, funciona nunha pequena célula de litio durante meses.

Bombas de infusión, ferramentas cirúrxicas, equipos de diagnóstico utilizados nos hospitais-moitas baterías de respaldo de iones de litio ou opcións de alimentación portátiles. As ferramentas eléctricas cirúrxicas Stryker System 8 usan baterías de iones de litio, seladas estériles para uso en quirófanos.

Os dispositivos implantables son unha categoría completamente diferente. Algúns marcapasos máis novos usan baterías de iones de litio recargables cargadas transcutáneamente (a través da pel) mediante indución. Medtronic ten modelos nos que a batería se recarga sen fíos unha vez por semana en lugar de necesitar unha substitución cirúrxica cada 7-10 anos.

What Has Lithium Ion Batteries

Tesla Powerwall 2 almacena 13,5 kWh, custa uns 11.000 dólares instalados. Powerwall 3 saíu recentemente cunha mellor integración. Generac PWRcell ofrece sistemas modulares de 9-18 kWh. LG Chem RESU vai de 10 a 16 kWh dependendo da configuración.

Estas baterías domésticas únense con paneis solares-almacenan o exceso de xeración durante o día, utilízao pola noite. Tamén proporciona copia de seguridade durante as interrupcións se está configurado correctamente. Non todos os sistemas funcionan durante os cortes de luz; depende da configuración do inversor.

California obriga a solar nas novas casas, polo que a adopción da batería está a acelerarse alí. Hawai ten custos elevados de electricidade e moito sol, o que fai que a economía solar e de almacenamento funcione ben. Texas tivo esa falla na rede en 2021 que provocou o interese polas baterías domésticas.

As instalacións comerciais son moito máis grandes. Un supermercado pode instalar 50-100 kWh de baterías para xestionar a carga da demanda. Os centros de datos usan cuartos de baterías a escala de megavatios como enerxía de reserva, substituíndo ou complementando xeradores diésel.

A escala de utilidade é salvaxe. A instalación de almacenamento de enerxía de Moss Landing, en California, ten 3.000 MWh de capacidade-é dicir, 3 millóns de quilovatios-hora, ou suficiente para alimentar aproximadamente 225.000 fogares durante varias horas. Utiliza unidades Tesla Megapack, cada unha unha batería de 3 MWh do tamaño de contenedor de envío-.

A reserva de enerxía de Hornsdale de Australia foi unha das primeiras grandes baterías de rede, construída por Tesla en 2017 con 150 MWh. Foi ampliado desde entón. Estes sistemas estabilizan a frecuencia da rede, almacenan enerxía renovable e reducen a necesidade de centrais de gas natural.

Os sistemas UPS (fonte de alimentación ininterrompida) usaban tradicionalmente baterías de chumbo-ácido. Pesado, necesario substituílo cada 3-5 anos, contiña materiais tóxicos. Os sistemas UPS de iones de litio de APC, Eaton e Vertiv duran máis, ocupan menos espazo e pesan menos. Os centros de datos especialmente como este: reducir o peso significa menos carga estrutural nos edificios.

Drones e cuadricópteros-DJI domina este mercado. Os seus drons funcionan con baterías de polímero de litio (LiPo), que tecnicamente son unha variante de ión de litio con electrólito de polímero. DJI Mini 3 Pro usa unha batería de 2453 mAh durante uns 34 minutos de voo. Os drons máis grandes como o Inspire 2 levan baterías dobres que suman 98 Wh.

Drones profesionais para topografía, inspección e entrega-todos funcionan con baterías de litio. Os drons de entrega médica Zipline en África usan iones de litio. Os prototipos de drones de entrega de Amazon utilízanos.

Aplicacións aeroespaciais en expansión. Os avións eléctricos están chegando. Pipistrel Velis Electro ten baterías de litio-o primeiro avión totalmente eléctrico certificado para adestramento en voo en Europa. Beta Technologies e Joby Aviation desenvolven taxis aéreos eléctricos alimentados por grandes baterías de litio.

Os satélites e as naves espaciais usan baterías de ión de litio especializadas construídas para sobrevivir ao baleiro, á radiación e ás temperaturas extremas. A Estación Espacial Internacional ten baterías de iones de litio que substitúen as antigas pilas de níquel-hidróxeno. Cada módulo de batería pesa 400+ libras.

Equipo militar-gafas de visión nocturna, radios tácticas, unidades GPS, todas as baterías de litio funcionando agora. A mellor densidade de enerxía importa cando os soldados levan equipos durante días. A radio AN/PRC-163 usa baterías de iones de litio recargables.

Cámaras e equipamento fotográfico-cámaras sen espello de Sony, Canon e Nikon, todas de iones de litio. Sony A7 IV usa baterías NP-FZ100 de 16,4 Wh cada unha. Iluminación profesional-As luces LED Aputure 300d funcionan con pilas de litio de montaxe V- (tamaño estándar de 98 Wh). Micrófonos sen fíos, monitores de vídeo, todo o portátil na produción de películas/fotos.

What Has Lithium Ion Batteries

Os produtos máis novos que funcionan con batería-a miúdo teñen conectividade Bluetooth ou Wi-Fi. Podes comprobar o estado da batería no teu teléfono. As ferramentas eléctricas Ego mostran o nivel de carga nunha aplicación. Ferramentas Ryobi tamén. Tesla permíteche controlar a batería do teu coche e cargar de forma remota.

Os sistemas intelixentes de xestión de baterías (BMS) fan moito traballo. Equilibran a tensión das células-nun paquete de varias-células, as células individuais vanse separando co paso do tempo e o BMS as iguala. Controlan a temperatura, evitan a sobrecarga e a sobredescarga, comunican o estado ao dispositivo.

Algunhas funcións conectadas parecen artificiosas, pero a vixilancia remota de equipos caros ten sentido. Os equipos de construción poden rastrexar as baterías que necesitan cargar. Os propietarios do almacenamento de enerxía no fogar poden controlar a produción solar e o estado da batería mentres viaxan.

Aínda que existen problemas de seguridade. O firmware da batería necesita actualizacións ás veces. Se esa vía de comunicación non está protexida correctamente, é unha vulnerabilidade potencial. Non hai moita xente que piratee as baterías, pero en teoría é posible.

A xente atópase con baterías de litio constantemente sen pensar niso. Cepillo de dentes eléctrico no baño. Aspiradora sen fíos (Dyson V15 ten 70 Wh). Lanterna recargable. Banco de enerxía na bolsa-Anker fabrica modelos de 10.000 mAh (37 Wh) ata 25.000 mAh (90 Wh).

Xoguetes para nenos cada vez máis recargables. Coches con mando a distancia, xoguetes-luces, dispositivos electrónicos de aprendizaxe. É mellor comprar pilas alcalinas constantemente.

Dispositivos domésticos intelixentes-O timbre de vídeo Ring ten unha batería de litio extraíble. As cámaras de seguridade Arlo usan baterías recargables que duran meses. Os termostatos de Google Nest teñen baterías de litio de reserva. As cerraduras intelixentes de agosto funcionan con AA de litio.

As luces de vacacións tamén son recargables. Guirnaldas de luces con pilas-incorporadas e paneis solares. Velas LED recargables. Artigos decorativos.

Os casos de uso profesional varían moito. Os traballadores da construción cambian as baterías de Milwaukee ou DeWalt todo o día. As carretillas elevadoras de almacén cargan baterías de iones de litio durante os descansos-A oportunidade de carga de 15 minutos supera as horas de espera para que se carguen as baterías de chumbo-ácido.

A adopción de equipos agrícolas é máis lenta pero está a suceder. John Deere probando tractores eléctricos. Os robots agrícolas autónomos adoitan ser eléctricos. Sistemas de riego con batería de respaldo.

A industria da limpeza adoptou o litio. As lavadoras de pisos, os extractores de alfombras e as lavadoras a presión comerciais-como Tennant e Karcher ofrecen opcións de litio. Carga máis rápida, peso máis lixeiro, sen necesidade de mantemento do rego da batería como os antigos sistemas de chumbo-ácido.

As baterías se degradan. A química non dura para sempre. A batería de iones de litio típica mantén o 80 % da súa capacidade despois de 500-1000 ciclos de carga, dependendo da química e dos patróns de uso. Tesla garante as súas baterías de vehículos eléctricos para unha retención do 70 % a 8 anos/100.000-150.000 millas dependendo do modelo.

A temperatura mata as baterías máis rápido que calquera cousa. A calor especialmente desagradable-almacenar ou usar pilas a máis de 30 graos (86 graos F) acelera a degradación regularmente. O frío reduce a capacidade temporal pero non causa danos permanentes como o fai a calor. É por iso que as baterías de Phoenix EV se degradan máis rápido que as de Seattle.

O envellecemento do calendario tamén é real. As baterías se degradan aínda que non se usan. Gárdaos a un 40-50% de carga a temperaturas frías para unha maior vida útil. Manter unha batería ao 100 % de carga e 40 graos durante períodos prolongados é o peor dos casos.

Os incidentes de seguridade ocorren raramente, pero son noticia cando o fan. Os defectos de fabricación provocaron incendios no Samsung Galaxy Note 7 en 2016: retiraron a mercadoría 2,5 millóns de teléfonos. Os hoverboards incendiáronse tantas veces en 2015-2016 que as compañías aéreas prohibíronos. Normalmente isto se debe a problemas de control de calidade de fabricación, danos físicos ou cargas con cargadores incorrectos.

O principal modo de falla é a fuga térmica-cando unha célula se sobrequenta e a calor provoca máis reaccións que xeran máis calor-. As baterías deseñadas correctamente teñen múltiples características de seguridade: circuítos limitadores de corrente, fusibles térmicos, ventilacións de alivio de presión, capas de apagado do separador. As baterías baratas omiten estas proteccións.

A compatibilidade frustra aos usuarios. Cada marca de ferramentas usa diferentes factores de forma de batería. As baterías DeWalt non se adaptan ás ferramentas de Milwaukee. Ryobi foi intelixente mantendo a súa plataforma One+ compatible durante anos-ferramentas de 2005 funcionan con baterías a partir de 2025. Pero a maioría dos fabricantes queren que ese provedor se bloquee-.

As infraestruturas de reciclaxe seguen en desenvolvemento. Li-Cycle, Redwood Materials e outros que constrúen plantas de reciclaxe de baterías de litio dedicadas. Poden recuperar máis do 95 % dos materiais da batería. Pero a loxística de recollida segue sendo un reto-a xente tira as pilas ao lixo, creando problemas no vertedoiro.

O BMS é crucial pero invisible. Nunha computadora portátil, supervisa cada grupo de células, estima o tempo de execución restante, controla a taxa de carga e informa o estado da batería ao sistema operativo. Máis sofisticado do que parece.

A estimación do estado-de-carga é sorprendentemente difícil. A tensión da batería correlaciona co nivel de carga, pero a relación varía coa temperatura, a carga e a idade da batería. Un bo BMS utiliza algoritmos complexos que teñen en conta todo isto. É por iso que ás veces as porcentaxes de batería do teléfono saltan ou baixan de forma inesperada-a estimación recalibrase.

O equilibrio celular é importante nos paquetes de varias-células. As células individuais teñen inevitablemente lixeiras diferenzas de capacidade. Durante a carga, un BMS pode derivar a corrente arredor das células máis completas para que as máis débiles se poñan ao día. O equilibrio pasivo disipa a enerxía en forma de calor. O equilibrio activo transfire enerxía entre as células, máis eficiente pero máis caro.

Xestión da temperatura-o BMS monitoriza a temperatura das células e pode reducir as taxas de carga/descarga se as cousas se quentan demasiado. Os vehículos eléctricos teñen unha xestión térmica sofisticada con refrixeración líquida. As ferramentas eléctricas só dependen dos cortes térmicos.

Protocolos de comunicación-Os chips BMS comunican cos dispositivos anfitrións mediante I2C, SMBus, bus CAN ou protocolos propietarios. Isto permite aos dispositivos mostrar información precisa da batería e optimizar o rendemento.

As aplicacións industriais integran a monitorización da batería en sistemas máis amplos. Un almacén pode rastrexar todas as baterías de empilhadeiras de forma centralizada, programando a carga e sinalando as baterías que necesitan substituír. Mantemento preditivo baseado en datos BMS.

As baterías-sólidas son o santo grial. Substitúe o electrólito líquido por material cerámico ou polímero sólido. Teoricamente máis seguro-sen líquido inflamable. Maior densidade de enerxía posible. Toyota afirma que terá baterías de estado sólido-nos vehículos para 2027-2028. QuantumScape, Solid Power, outros desenvolvendo a tecnoloxía. Pero a fabricación a escala segue sen resolverse.

Baterías de ións de sodio-que usan sal en lugar de materias primas de litio-máis baratas, que poden ter un custo menor. CATL anunciou baterías de-ións de sodio comerciais en 2021. A densidade de enerxía é inferior á do ión de litio, pero é aceptable para o almacenamento estacionario. Northvolt construíndo a produción de-ións de sodio en Europa.

Teoricamente, o-xofre de litio ofrece unha densidade de enerxía moito maior- ata 500 Wh/kg fronte aos 250 Wh/kg do ión de litio actual. Pero o ciclo de vida foi terrible, xeralmente degradándose despois de 50-100 ciclos. A investigación continúa.

As baterías de litio-aire (litio-osíxeno) teñen límites teóricos aínda máis altos-potencialmente 1.000 Wh/kg. Pero seguen sendo curiosidades de laboratorio con enormes retos prácticos.

What Has Lithium Ion Batteries

Durante os próximos 5-10 anos, o ión de litio convencional dominará. As melloras incrementais seguen chegando a mellorar os materiais de cátodo, os ánodos de silicio que substitúen ao grafito (aumentando a capacidade dun 20-40%), as melloras do proceso de fabricación reducen os custos.

Os custos das baterías baixaron un 90 % entre 2010 e 2023, de aproximadamente 1.100 $/kWh a 130 $/kWh para as baterías de vehículos eléctricos. Esa tendencia continúa, quizais alcanzando os 80-100 dólares/kWh para 2030. A eses prezos, os vehículos eléctricos alcanzan a paridade de custos cos vehículos de gasolina sen subvencións.

A redución de cobalto é un foco importante. A minería de cobalto ten problemas de dereitos humanos e riscos na cadea de subministración. As baterías NMC modernas usan menos cobalto que as formulacións máis antigas (NMC 811 ten un 80% de níquel, 10% de manganeso, 10% de cobalto fronte a relacións anteriores 1:1:1). As baterías LFP non conteñen cobalto en absoluto.

Os ánodos de silicio están sendo comercializados agora. Sila Nanotechnologies ofrece material de ánodo de silicio a varios fabricantes. Panasonic anunciou baterías de ánodo de silicio para a produción. Tesla xa está usando algo de silicio nas súas celas. Isto aumenta a capacidade un 10-20% sen cambiar nada máis sobre a batería.

A pregunta "que teñen as baterías de iones de litio" terá unha resposta aínda máis longa en cinco anos. Máis categorías de produtos eléctricos. Máis aplicacións onde o ión de litio despraza tecnoloxías máis antigas. A tecnoloxía madurou rapidamente pero aínda está mellorando.

Entender que dispositivos usan baterías de litio importa máis a medida que acumulamos máis delas. A maioría dos fogares teñen agora entre 20 e 50 dispositivos recargables. Saber o que tes, como mantelo e cando substituílo fai que eses investimentos duren máis e teñan un mellor rendemento.