Las baterías de litio se distinguen de otras químicas de baterías debido a su alta densidad de energía y bajo costo por ciclo. Sin embargo, "batería de litio" es un término ambiguo. Hay alrededor de seis químicas comunes de las baterías de litio, todas con sus propias ventajas y desventajas únicas. Para aplicaciones de energía renovable, la química predominante es el fosfato de hierro y litio (LiFePO4). Esta química tiene una seguridad excelente, con gran estabilidad térmica, altas clasificaciones de corriente, ciclo de vida prolongado y tolerancia al abuso.
Fosfato de litio y hierro (LiFePO4) es una química del litio extremadamente estable en comparación con casi todas las demás químicas del litio. La batería está ensamblada con un material de cátodo naturalmente seguro (fosfato de hierro). En comparación con otras sustancias químicas del litio, el fosfato de hierro promueve un fuerte enlace molecular, que resiste condiciones de carga extremas, prolonga la vida útil y mantiene la integridad química durante muchos ciclos. Esto es lo que le da a estas baterías su gran estabilidad térmica, ciclo de vida prolongado y tolerancia al abuso. Las baterías LiFePO4 no son propensas a sobrecalentarse, ni están expuestas a un 'escape térmico' y, por lo tanto, no se sobrecalientan ni se encienden cuando se someten a un manejo incorrecto riguroso o condiciones ambientales adversas.
A diferencia del ácido de plomo inundado y otras sustancias químicas de las baterías, las baterías de litio no emiten gases peligrosos como el hidrógeno y el oxígeno. Tampoco hay peligro de exposición a electrolitos cáusticos como el ácido sulfúrico o el hidróxido de potasio. En la mayoría de los casos, estas baterías se pueden almacenar en áreas confinadas sin riesgo de explosión y un sistema diseñado correctamente no debería requerir enfriamiento o ventilación activos.
Las baterías de litio son un conjunto compuesto por muchas celdas, como baterías de plomo-ácido y muchos otros tipos de baterías. Las baterías de plomo ácido tienen un voltaje nominal de 2V / celda, mientras que las celdas de batería de litio tienen un voltaje nominal de 3.2V. Por lo tanto, para lograr una batería de 12 V, normalmente tendrá cuatro celdas conectadas en serie. Esto hará que la tensión nominal de un LiFePO4 sea de 12,8 V. Ocho celdas conectadas en serie forman una batería de 24 V con un voltaje nominal de 25,6 V y dieciséis celdas conectadas en serie forman una batería de 48 V con un voltaje nominal de 51,2 V. Estos voltajes funcionan muy bien con sus inversores típicos de 12V, 24V y 48V.
Las baterías de litio se utilizan a menudo para reemplazar directamente las baterías de plomo-ácido porque tienen voltajes de carga muy similares. Una batería LiFePO4 de cuatro celdas (12,8 V), normalmente tendrá un voltaje de carga máximo entre 14,4 y 14,6 V (según las recomendaciones del fabricante). Lo que es exclusivo de una batería de litio es que no necesita una carga de absorción ni debe mantenerse en un estado de voltaje constante durante períodos de tiempo significativos. Normalmente, cuando la batería alcanza el voltaje de carga máximo, ya no necesita cargarse. Las características de descarga de las baterías LiFePO4 también son únicas. Durante la descarga, las baterías de litio mantendrán un voltaje mucho más alto que el de las baterías de plomo-ácido bajo carga. No es raro que una batería de litio solo caiga unas pocas décimas de voltio de una carga completa al 75% descargada. Esto puede hacer que sea difícil saber cuánta capacidad se ha utilizado sin un equipo de monitoreo de batería.
Una ventaja significativa del litio sobre las baterías de plomo-ácido es que no sufren ciclos de déficit. Esencialmente, esto es cuando las baterías no se pueden cargar completamente antes de descargarse nuevamente al día siguiente. Este es un gran problema con las baterías de plomo-ácido y puede promover una degradación significativa de la placa si se cicla repetidamente de esta manera. Baterías LiFePO4 no es necesario cargarla completamente con regularidad. De hecho, es posible mejorar ligeramente la esperanza de vida general con una ligera carga parcial en lugar de una carga completa.
La eficiencia es un factor muy importante a la hora de diseñar sistemas eléctricos solares. La eficiencia de ida y vuelta (de completo a muerto y de regreso a completo) de una batería de plomo-ácido promedio es de aproximadamente el 80%. Otras químicas pueden ser incluso peores. La eficiencia energética de ida y vuelta de una batería de fosfato de hierro y litio es superior al 95-98%. Esto por sí solo es una mejora significativa para los sistemas que carecen de energía solar durante el invierno, el ahorro de combustible de la carga del generador puede ser tremendo. La etapa de carga de absorción de las baterías de plomo-ácido es particularmente ineficiente, lo que da como resultado eficiencias del 50% o incluso menos. Teniendo en cuenta que las baterías de litio no se cargan por absorción, el tiempo de carga desde que están completamente descargadas hasta que están completamente llenas puede ser de tan solo dos horas. También es importante tener en cuenta que una batería de litio puede sufrir una descarga casi completa según la clasificación sin efectos adversos significativos. Sin embargo, es importante asegurarse de que las células individuales no se descarguen en exceso. Este es el trabajo del sistema integrado de gestión de baterías (BMS).
La seguridad y confiabilidad de las baterías de litio es una gran preocupación, por lo que todos los ensambles deben tener un Sistema de administración de baterías (BMS) integrado. El BMS es un sistema que monitorea, evalúa, equilibra y protege las células para que no operen fuera del "Área de operación segura". El BMS es un componente de seguridad esencial de un sistema de batería de litio, que monitorea y protege las celdas dentro de la batería contra sobrecorriente, voltaje insuficiente / excesivo, temperatura excesiva / insuficiente y más. Una celda LiFePO4 se dañará permanentemente si el voltaje de la celda alguna vez cae a menos de 2.5V, también se dañará permanentemente si el voltaje de la celda aumenta a más de 4.2V. El BMS monitorea cada celda y evitará daños a las celdas en el caso de voltaje bajo / alto.
Otra responsabilidad esencial del BMS es equilibrar el paquete durante la carga, garantizando que todas las celdas obtengan una carga completa sin sobrecargas. Las celdas de una batería LiFePO4 no se equilibrarán automáticamente al final del ciclo de carga. Hay ligeras variaciones en la impedancia a través de las celdas y, por lo tanto, ninguna celda es 100% idéntica. Por lo tanto, cuando se ciclan, algunas celdas se cargarán o descargarán completamente antes que otras. La varianza entre las celdas aumentará significativamente con el tiempo si las celdas no están equilibradas.
En las baterías de plomo-ácido, la corriente seguirá fluyendo incluso cuando una o más de las celdas estén completamente cargadas. Este es el resultado de la electrólisis que tiene lugar dentro de la batería, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno. Esta corriente ayuda a cargar completamente otras celdas, equilibrando así naturalmente la carga en todas las celdas. Sin embargo, una celda de litio completamente cargada tendrá una resistencia muy alta y fluirá muy poca corriente. Por lo tanto, las celdas retrasadas no estarán completamente cargadas. Durante el equilibrio, el BMS aplicará una pequeña carga a las celdas completamente cargadas, evitando que se sobrecargue y permitiendo que las otras celdas se pongan al día.
Las baterías de litio ofrecen muchos beneficios sobre otras químicas de baterías. Son una solución de batería segura y confiable, sin temor a una fuga térmica y / o una fusión catastrófica, que es una posibilidad significativa de otros tipos de baterías de litio. Estas baterías ofrecen una vida útil extremadamente larga, y algunos fabricantes incluso garantizan baterías de hasta 10,000 ciclos. Con altas tasas de descarga y recarga superiores a C / 2 continuo y una eficiencia de ida y vuelta de hasta el 98%, no es de extrañar que estas baterías estén ganando terreno en la industria. El fosfato de litio y hierro (LiFePO4) es una solución de almacenamiento de energía perfecta.
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