Cómo funcionan las baterías y los sistemas de gestión de baterías (BMS) — Molicel, DJI, Samsung SDI

Una batería convierte el intercambio de electrones de una reacción química en corriente eléctrica utilizable, y una batería de iones de litio, en concreto, obtiene energía de la diferencia de potencial que se crea cuando los iones de litio se desplazan entre un electrodo positivo y uno negativo. Cuando se habla de lo que hace que un robot o un dron funcione bien, la atención suele centrarse en sensores como el LiDAR o las IMU; sin embargo, en la práctica, lo que realmente limita el alcance, la capacidad de carga útil y el margen de seguridad de un vehículo es casi siempre la batería y el sistema de gestión de baterías (BMS) que la controla. Por muy capaces que sean los sensores o los motores, si el sistema de alimentación es el cuello de botella, la aeronave no vuela y el robot no camina.

Celdas cilíndricas de iones de litio 18650 (izquierda) y 21700 (derecha)

Interior de un paquete de baterías: múltiples celdas conectadas en serie/paralelo, además de una placa BMS

Imágenes: 18650 y celda de batería de iones de litio 21700 (Sevenethics, CC0) / Lithiumion-laptop-battery-internals (Lead holder, CC BY-SA 3.0), both Wikimedia Commons.

Principio: el movimiento bidireccional de los iones de litio y la limitación denominada tasa C

Durante la descarga, los iones de litio retenidos en el electrodo negativo (típicamente grafito) se mueven a través del electrolito hacia el electrodo positivo (un óxido de metal de transición como el óxido de cobalto y litio), mientras que los electrones fluyen simultáneamente a través del circuito externo hacia el electrodo positivo, generando corriente. Para la configuración común de ánodo de grafito/cátodo de óxido de cobalto y litio, las semirreacciones se pueden escribir de la siguiente manera.

Durante la carga, esta reacción se invierte: una fuente de alimentación externa fuerza a los electrones a regresar al electrodo negativo, impulsando los iones de litio de vuelta a ese lado. La combinación específica de materiales de electrodo determina el voltaje nominal, la densidad de energía y las características de seguridad; de ahí provienen precisamente las diferencias químicas (NMC, NCA, LiFePO4, etc.) entre los productos comparados a continuación.

Modelo de descarga de una batería de iones de litio (diseño de electrolito líquido/separador)

Imagen: General diagrama de descarga de una batería de litio (Sdk16420, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Para aplicaciones de robótica y drones, una métrica que importa más en la práctica que la electroquímica en sí misma es la "tasa C". La tasa C es una cifra adimensional que expresa cuántos múltiplos de la capacidad nominal de una celda (en Ah) representa la corriente real (I).

Por ejemplo, extraer 45 A de una celda con una capacidad nominal de 4,2 Ah equivale aproximadamente a 10,7 C. En drones y robots con patas que requieren grandes corrientes instantáneas para accionar motores, elegir una celda que no pueda soportar una descarga con alta tasa C no solo limita el rendimiento debido a la caída de tensión y el calor generado por la resistencia interna, sino que también aumenta el riesgo de degradación acelerada y sobrecalentamiento. La densidad energética (Wh/kg, Wh/L) y la capacidad de descarga con alta tasa C están en tensión, y esta compensación se relaciona directamente con las demandas de corriente en el actuador (motor) del sistema.

Esta misma estructura subyace a la estimación del estado de carga (SOC) que realiza un sistema de gestión de baterías (BMS). El método más sencillo, el conteo de Coulomb, integra la corriente a lo largo del tiempo para monitorizar la capacidad restante.

Esta ecuación tiene la misma estructura que la integración de la velocidad angular para la estimación de la actitud en una unidad de medición inercial (IMU), y presenta el mismo problema: los errores en la medición del sensor de corriente se acumulan con el tiempo como "deriva". En la práctica, un BMS restablece periódicamente el error del conteo de Coulomb tomando como referencia la tensión de circuito abierto (OCV) —la relación entre OCV y SOC cuando la batería no está bajo carga— o fusiona la referencia de OCV con la corriente integrada mediante un filtro de Kalman extendido.

Baterías de estado sólido: sustitución del electrolito por un sólido

Casi todas las baterías de iones de litio en servicio actualmente utilizan un disolvente orgánico líquido inflamable como electrolito que separa los electrodos positivo y negativo. Una batería de estado sólido reemplaza el electrolito líquido por uno sólido —cerámico (a base de óxido), sulfuro o polímero—, lo que reduce estructuralmente el riesgo de fugas e incendios por disolventes volátiles. Además, permite utilizar el litio metálico como ánodo (depositando y disolviendo el litio directamente, sin un material huésped como el carbono), lo que puede aumentar considerablemente la densidad energética por unidad de volumen y peso. Mientras que una batería típica de iones de litio ofrece una densidad energética aproximada de entre 160 y 260 Wh/kg, se ha informado que los diseños de estado sólido superan los 300 Wh/kg, e incluso algunos resultados a escala de laboratorio alcanzan los 400-500 Wh/kg.

Esquema estructural de una batería de estado sólido

Imagen: All-Solid-State Battery (Luca Bertoli, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Los desafíos son igualmente claros. Las interfaces sólido-sólido no pueden lograr el mismo contacto perfecto que un electrolito líquido, por lo que la resistencia interfacial suele ser un problema, y lograr una conductividad iónica similar a la del electrolito líquido ha sido durante mucho tiempo el principal obstáculo técnico. También se ha comprobado que la suposición inicial —que un electrolito sólido bloquearía físicamente el crecimiento de dendritas— no es del todo cierta: se han documentado casos de dendritas que se propagan a través de los límites de grano de los electrolitos sólidos y provocan cortocircuitos internos. El simple hecho de cambiar a un electrolito sólido no garantiza automáticamente la seguridad.

Funciones de un BMS: monitorización, equilibrado y protección

Un BMS es un circuito de control basado en dos funciones principales: monitorizar continuamente el voltaje, la corriente y la temperatura de cada celda de un paquete, y compensar las diferencias entre las celdas mediante el "equilibrio de celdas", interrumpiendo la corriente en caso de fallo ("protección").

Placa de control BMS dentro de un paquete de baterías de polímero de litio (aplicación para portátil)

Imagen: Asus Zenbook UX31E - Controlador de batería de polímero de litio (Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

El balanceo de celdas aborda las pequeñas diferencias de voltaje y capacidad que inevitablemente surgen entre las celdas conectadas en serie dentro de un paquete. El método más común, el "balanceo pasivo", descarga ligeramente solo las celdas de mayor voltaje a través de una resistencia para igualarlas con el resto; es sencillo de implementar, pero la energía descargada se desperdicia en forma de calor. La alternativa más costosa, el "balanceo activo", transfiere energía de las celdas de mayor voltaje a las de menor voltaje, lo que resulta más eficiente energéticamente, pero aumenta la complejidad del circuito. Si no se realiza el balanceo, la capacidad efectiva de todo el paquete en serie se ve limitada por la celda más débil, y una celda degradada tiene más probabilidades de entrar en la peligrosa zona de sobrecarga o sobredescarga.

La función de protección interrumpe el flujo de corriente mediante un interruptor MOSFET en el momento en que detecta sobrecarga, sobredescarga, sobrecorriente, cortocircuito o sobrecalentamiento. Además, el BMS estima el SOH (estado de salud, grado de degradación de la batería) —la relación entre la capacidad efectiva actual y la capacidad original— y lo comunica al controlador de vuelo o al sistema de control del robot, lo que permite mantener precisas las estimaciones de autonomía restante. Todo el conjunto de componentes electrónicos a bordo, incluido el SBC (ordenador de placa única), toma decisiones sobre la asignación de energía y el aterrizaje o parada de emergencia basándose en los datos que proporciona este BMS.

Comparación de especificaciones clave del producto

Batería de estado sólido (ASB) | Batería de estado sólido (etapa de envío de muestras) | Samsung SDI | Densidad energética volumétrica de 900 Wh/L (+40 % en comparación con las celdas prismáticas de producción en masa) | Ha construido una línea piloto en su centro de I+D en Suwon y está enviando muestras a clientes de vehículos eléctricos, IA integrada y robótica humanoide, con el objetivo de iniciar la producción en masa en 2027 |

Una celda de alta descarga como la P42A de Molicel es ideal para aplicaciones que requieren grandes corrientes instantáneas —motores de drones o articulaciones de un brazo robótico— gracias a un diseño que equilibra la capacidad con la tasa C. Por el contrario, una celda que prioriza la densidad energética por encima de todo, como las celdas Panasonic utilizadas por Tesla, suele elegirse para aplicaciones de vehículos eléctricos donde el perfil de carga del motor es relativamente uniforme. La TB65 de DJI no es una celda individual, sino un paquete completo con un sistema de gestión de baterías (BMS) integrado; en operaciones industriales con drones, es habitual tratar estas "baterías inteligentes" como la unidad operativa en lugar de gestionar celdas individuales directamente. Entre los circuitos integrados de BMS, el BQ76952 de TI es un diseño altamente integrado que incorpora incluso los controladores MOSFET de carga/descarga en un solo chip, mientras que el LTC6811-1 de Analog Devices se especializa en la medición de voltaje de celda de alta precisión (inferior a 1,2 mV) y puede conectarse en cadena a través de varios chips para escalar a más de 12 celdas por paquete. El hecho de que el ASB de Samsung SDI esté enviando muestras no solo a fabricantes de vehículos eléctricos, sino también a clientes de IA integrada y robótica humanoide, indica que las baterías de estado sólido están ampliando su alcance mucho más allá del sector automotriz.

Historia: un subproducto de la crisis del petróleo, la comercialización de Sony y un Premio Nobel

El origen de las baterías de iones de litio se remonta a principios de la década de 1970. M. Stanley Whittingham descubrió que los iones de litio podían insertarse y extraerse reversiblemente de la estructura laminar del disulfuro de titanio (TiS₂), y tras incorporarse a Exxon, desarrolló un prototipo de batería basado en este principio. Sin embargo, el ánodo de litio metálico de aquella época presentaba problemas de seguridad, y cuando el desplome de los precios del petróleo a finales de la década de 1970 llevó a Exxon a reducir su inversión en investigación de energías alternativas, la tecnología quedó temporalmente fuera del camino hacia la comercialización.

En 1980, John Goodenough, de la Universidad de Oxford, logró un importante avance en la estabilidad de las baterías al utilizar óxido de cobalto y litio (LiCoO₂) como material del cátodo. Posteriormente, Akira Yoshino, de Asahi Kasei, combinó el cátodo de LiCoO₂ de Goodenough con un ánodo de carbono derivado del coque de petróleo, estableciendo en 1985 una estructura de batería que eliminaba por completo el litio metálico, logrando un equilibrio entre seguridad y practicidad. Esta estructura básica sigue siendo el diseño predominante para las baterías de iones de litio hasta el día de hoy.

Fue Sony quien dio el salto a la comercialización: en 1991, Sony Energy Tec (ahora Sony Energy Devices) se convirtió en la primera empresa del mundo en comercializar baterías de iones de litio. La empresa conjunta de Asahi Kasei y Toshiba comenzó la producción al año siguiente, y Sanyo Electric y Matsushita Electric Industrial (ahora Panasonic) se unieron en 1994, con las empresas japonesas liderando el mercado en sus primeros años. Este logro no fue reconocido formal y ampliamente hasta un cuarto de siglo después: en 2019, el Premio Nobel de Química fue otorgado conjuntamente a Whittingham, Goodenough y Yoshino.

Lo que el Boeing 787 enseñó a la industria sobre los límites de un BMS y la frontera de la predicción de la degradación

La mayor retirada de baterías para portátiles de Sony — En agosto de 2006, Dell, Apple y otros fabricantes de PC lanzaron una retirada masiva de portátiles equipados con baterías de iones de litio fabricadas por Sony. Se descubrió un defecto de fabricación —contaminación por partículas metálicas— capaz de provocar cortocircuitos internos, sobrecalentamiento e incendios. La retirada afectó a aproximadamente 9,6 millones de unidades. La Comisión de Seguridad de Productos del Consumidor de EE. UU. (CPSC) la calificó como «la mayor retirada relacionada con ordenadores» de su historia. Se estima que la parte de los costes que le correspondió a Sony ascendió a cientos de millones de dólares. Esta retirada se convirtió en una lección para toda la industria: ningún diseño de BMS, por muy bueno que sea, puede sustituir por completo el control de calidad en la fabricación de cada celda.

El descontrol térmico que dejó en tierra al Boeing 787 en todo el mundo — En enero de 2013, un Boeing 787 de Japan Airlines (JAL), estacionado en el Aeropuerto Internacional Logan de Boston, sufrió humo e incendio debido a una batería de iones de litio fabricada por GS Yuasa que alimentaba su unidad de potencia auxiliar. En un informe aprobado en 2014, la Junta Nacional de Seguridad del Transporte de EE. UU. (NTSB) concluyó que un cortocircuito interno dentro de una celda provocó un "descontrol térmico" que se propagó a las celdas adyacentes; esa fue la causa directa. Igualmente importante: la investigación señaló explícitamente que "el circuito de seguridad integrado en el extremo del conector... [fue] incapaz de detener un descontrol térmico una vez iniciado". En respuesta, la Administración Federal de Aviación de EE. UU. (FAA) inmovilizó toda la flota de 787, una medida extraordinaria que no se tomaba desde 1979. Un sistema de gestión de baterías (BMS) puede detectar los primeros indicios de problemas y cortar la corriente, pero fundamentalmente carece de medios para detener una reacción en cadena por sobrecalentamiento una vez que ha comenzado dentro de una celda; una limitación que este incidente puso de manifiesto para toda la industria.

La batería de iones de litio de la APU se quemó en el incendio del Boeing 787 de JAL en 2013 (fotografiada por la NTSB)

Imagen: 1-7-12 Batería de la APU del JAL787 (Junta Nacional de Seguridad del Transporte, Dominio Público), Wikimedia Commons.

Predecir la degradación antes de que se rompa — Todos estos incidentes de fuga térmica solo se hicieron visibles después de que la degradación o un defecto interno ya habían superado cierto umbral. La investigación destinada a cambiar este patrón de "solo te enteras después de que se rompe" se ha convertido en uno de los principales campos de batalla en la investigación reciente de sistemas de gestión de baterías (BMS). Un artículo publicado en abril de 2026, «Un modelo de aprendizaje profundo para la predicción del estado de la batería hacia una gestión energética inteligente» (arXiv:2605.00898), aplica un modelo de aprendizaje profundo a un conjunto de datos operativos a gran escala para predecir la capacidad restante de una batería y su trayectoria de degradación con antelación, proponiendo un marco que respalda tanto el mantenimiento predictivo como una gestión energética más segura. La superposición de la predicción de la degradación basada en datos sobre la combinación clásica de conteo de Coulomb y referencia de OCV es una dirección que probablemente se extienda al diseño de sistemas de gestión de baterías (BMS) para el sector de la robótica y los drones, cada vez más electrificados.

Parámetros que determinan el rendimiento

• Densidad energética (Wh/kg, Wh/L): Determina directamente el tiempo de vuelo de un dron o el alcance de un robot terrestre autónomo con carga útil. Las baterías de estado sólido buscan superar los 300 Wh/kg, mientras que las baterías de iones de litio actuales se sitúan entre 160 y 260 Wh/kg; esta diferencia representa el margen de diseño para las plataformas de próxima generación.
• Tasa C (capacidad de descarga): Determina si una celda puede satisfacer las demandas instantáneas de alta corriente de motores y actuadores. Una celda con alta tasa C, como la P42A de Molicel (45 A, aproximadamente 10,7 C), es adecuada para aplicaciones con grandes fluctuaciones de carga, como el salto de un robot con patas o la rápida aceleración de un dron. Si se utiliza una celda optimizada para la densidad energética, la caída de tensión o el calor pueden impedir que entregue su potencia nominal.
• Vida útil: Un valor como los hasta 400 ciclos de la DJI TB65 se relaciona directamente con el coste operativo, según la cantidad de ciclos de carga/descarga que tolera la batería. En entornos de alta utilización, como las operaciones diarias con drones comerciales, este valor determina la frecuencia de reemplazo y el costo operativo.
• Precisión del balanceo de celdas: La precisión con la que un BMS puede monitorear el voltaje de las celdas (como el error de medición inferior a 1,2 mV del LTC6811-1) determina tanto la capacidad efectiva del paquete como la vida útil de las celdas. Si no se detecta un desequilibrio creciente, una celda degradada termina limitando el rendimiento de todo el paquete.
• Velocidad de respuesta del circuito de protección y sus límites: La rapidez con la que un BMS detecta la sobrecorriente o el sobrecalentamiento y corta la corriente está directamente relacionada con la seguridad, pero como demuestra el caso del Boeing 787, un BMS no tiene la capacidad de detener una reacción en cadena térmica una vez que ya ha comenzado dentro de una celda. El control de calidad a nivel de celda y la elección de una química menos propensa al sobrecalentamiento (LiFePO4, por ejemplo) deben complementar el circuito de protección, y no al revés.
• Rango de temperatura de funcionamiento: Un valor como el de la batería Molicel P42A, de -40 °C a 60 °C, es importante para su disponibilidad en condiciones reales, ya que los drones y robots para exteriores necesitan resistencia a la pérdida de capacidad y rendimiento que se produce con las bajas temperaturas. La función de autocalentamiento de la batería de DJI es una solución a este problema.
• Capacidad de carga rápida: Las baterías de última generación —desde la ASB de Samsung SDI hasta el objetivo declarado de Toyota e Idemitsu Kosan de cargar del 10 % al 80 % de SOC en menos de 10 minutos— consideran la reducción del tiempo de carga como un claro factor diferenciador. Para las operaciones comerciales con drones y robots de reparto que buscan la máxima utilización, el tiempo de inactividad por carga se convierte en una métrica de rendimiento eficaz.