¿Qué son las baterías LFP y cómo se comparan con otras químicas de ion litio?

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Con los cortes de luz, las estaciones de carga portátiles se están consolidando progresivamente en los hogares como unidades de respaldo energético. Pero, ¿alguna vez se ha preguntado qué tipo de batería utilizan?, ¿si son químicamente iguales a las de los smartphones?, o ¿si la baterías LFP (de litio ferrofosfato) son tan peligrosas como las de ion litio de un smartphone?

En este artículo (de una serie de tres notas) se presenta una comparativa técnica entre las distintas químicas que conforman la familia de baterías de ion litio, de la cual la LFP es una de sus variantes más relevantes desde el punto de vista para las estaciones de carga portátil.

Se abordan las características generales de esta tecnología y se analiza el posicionamiento particular de la LFP, con el fin de evaluar sus ventajas y desventajas frente a otras alternativas del mismo grupo.

Importante: Las baterías LFP son un tipo específico dentro de la tecnología de ion litio. No son una categoría aparte, sino una variante con propiedades estructurales y químicas particulares que determinan su uso.

¿Qué son las baterías de ion litio y las baterías de litio ferrofosfato (LFP)?

Las baterías de iones de litio (Li-ion) están presentes en la mayoría de los dispositivos que usamos a diario, y su uso ha crecido exponencialmente desde su introducción en 1991, posicionándose como la tecnología dominante en diversas aplicaciones:

• Electrónica de consumo,
• Vehículos eléctricos (VE)
• Sistemas de almacenamiento estacionario (ESS)

De acuerdo con Battery University, el dominio del mercado por parte de las baterías de ion Litio, es por a su alta densidad energética y eficiencia de ciclo.

Además, estas baterías son electroquímicas recargables que almacenan y liberan energía mediante el movimiento reversible de iones de litio (Li+) entre un ánodo y un cátodo a través de un electrolito.

Durante la descarga, los iones de litio viajan del ánodo al cátodo generando electricidad; durante la carga, el proceso se invierte (ver siguiente figura).

Veamos en detalle el proceso de descarga y carga por separado:

En el diagrama anterior de descarga:

• Los iones de litio (Li⁺) se mueven desde el ánodo (de carbono y litio-metal) hacia el cátodo (óxidos metálicos).
• Los electrones (e⁻) fluyen por un circuito externo, generando corriente eléctrica útil.
• Este proceso ocurre cuando el dispositivo está en uso, consumiendo energía almacenada.

Para el caso de la carga:

• La corriente eléctrica externa fuerza a los iones de litio a regresar al ánodo.
• Este proceso restaura la energía almacenada.
• El separador y el electrolito permiten el paso de iones, pero evitan cortocircuitos.

Tipos principales de baterías de ion litio

Dentro de la familia de baterías recargables de ion litio (Li-ion), existen diversas químicas que comparten el principio de funcionamiento basado en el intercambio reversible de iones de litio entre cátodo y ánodo. Las más comunes incluyen:

• LFP (Litio Ferrofosfato): Alta seguridad, larga vida útil, bajo costo. Ideal para almacenamiento estacionario y transporte pesado.
• NMC (Níquel Manganeso Cobalto): Balance entre densidad energética y estabilidad. Popular en vehículos eléctricos.
• NCA (Níquel Cobalto Aluminio): Alta densidad energética. Utilizada en vehículos de alto rendimiento.
• LCO (Litio Cobalto Óxido): Alta densidad energética, baja estabilidad térmica. Usada en smartphones y dispositivos compactos.

Baterías LFP vs el resto

Dentro de esta categoría, las baterías LFP (Litio Ferrofosfato) se diferencian del resto porque usan el compuesto químico LiFePO₄ como material activo en el cátodo, y que fue propuesto por el grupo de John B. Goodenough como una alternativa más segura y estable que los óxidos de cobalto o níquel (Journal of Power Sources, 1997).

Las baterías de LiFePO₄ tienen la peculiaridad de que cuentan con un perfil diferente en cuanto a voltaje nominal, seguridad térmica, vida útil y coste de producción.

La siguiente gráfica de radar que compara tres tipos de baterías de ion litio —NCA, NMC y LFP (LiFePO₄)— en cinco dimensiones clave:

• Energy density (Densidad energética): NCA se posiciona como la de mayor densidad, seguida por NMC, mientras que LFP tiene la menor.
• Safety (Seguridad): LFP destaca con el mayor nivel de seguridad, superando claramente a NMC y NCA.
• Cycle life (Vida útil): LFP nuevamente lidera, lo que coincide con su uso en aplicaciones de larga duración.
• Charging speed (Velocidad de carga): NMC y NCA tienen ventajas sobre LFP en este aspecto.
• Power density (Densidad de potencia): NCA y NMC son superiores, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de alto rendimiento.

Las baterías de LFP se usan en aplicaciones donde la seguridad y la durabilidad son prioritarias, como en buses eléctricos, flotas logísticas y almacenamiento de energía renovable.

Por su parte, las de tipo NMC (Níquel Manganeso Cobalto), NCA (Níquel Cobalto Aluminio) y LCO (Litio Cobalto Óxido), cuentan con diferentes metales de transición en el cátodo, afectando directamente a su densidad, seguridad y longevidad. Por ejemplo, este tipo de químicas están más orientadas hacia la electrónica compacta o vehículos de largo alcance, donde la densidad energética es el factor dominante (Zhang et al., 2021).

En resumen, las características claves de las baterías de LFP son las siguientes: