Principio y definiciones

2020-08-11 08:07

Capacidad y energía de una batería o sistema de almacenamiento.

La capacidad de una batería o acumulador es la cantidad de energía almacenada según la temperatura específica, el valor de la corriente de carga y descarga y el tiempo de carga o descarga.

Capacidad nominal y tasa C

La tasa C se utiliza para escalar la corriente de carga y descarga de una batería. Para una capacidad dada, la tasa C es una medida que indica a qué corriente se carga una batería y descargado para alcanzar su capacidad definida. 

Una carga 1C (o C / 1) carga una batería que tiene una potencia nominal de, digamos, 1000 Ah a 1000 A durante una hora, por lo que al final de la hora la batería alcanza una capacidad de 1000 Ah; una descarga de 1C (o C / 1) agota la batería al mismo ritmo.
Una carga de 0.5C o (C / 2) carga una batería que tiene una capacidad nominal de, digamos, 1000 Ah a 500 A, por lo que se necesitan dos horas para cargar la batería a la capacidad nominal de 1000 Ah;
Una carga 2C carga una batería que tiene una capacidad nominal de, digamos, 1000 Ah a 2000 A, por lo que, en teoría, lleva 30 minutos cargar la batería a la capacidad nominal de 1000 Ah;
La clasificación Ah normalmente está marcada en la batería.
Por último, una batería de plomo-ácido con una capacidad nominal C10 (o C / 10) de 3000 Ah debe cargarse o descargarse en 10 horas con una carga o descarga de corriente de 300 A.

¿Por qué es importante conocer la clasificación C o C de una batería?

La tasa C es un dato importante para una batería porque para la mayoría de las baterías la energía almacenada o disponible depende de la velocidad de la corriente de carga o descarga. Generalmente, para una determinada capacidad tendrás menos energía si descargas en una hora que si descargas en 20 horas, a la inversa almacenarás menos energía en una batería con una carga de corriente de 100 A durante 1 h que con una carga de corriente de 10 A durante 10 h.

Fórmula para calcular la corriente disponible en la salida del sistema de batería

¿Cómo calcular la corriente de salida, la potencia y la energía de una batería de acuerdo con la tasa C?
La fórmula más simple es:

I = Cr * Er
o
Cr = I / Er
Dónde
Er = energía nominal almacenada en Ah (capacidad nominal de la batería proporcionada por el fabricante)
I = corriente de carga o descarga en amperios (A)
Cr = tasa C de la batería
La ecuación para obtener el tiempo de carga o carga o descarga "t" según la corriente y la capacidad nominal es:
t = Er / I
t = tiempo, duración de la carga o descarga (tiempo de ejecución) en horas
Relación entre Cr y t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Cómo funcionan las baterías de iones de litio

Baterías de iones de litio son increíblemente populares en estos días. Puede encontrarlos en computadoras portátiles, PDA, teléfonos celulares y iPods. Son tan comunes porque, libra por libra, son algunas de las baterías recargables más energéticas disponibles.

Las baterías de iones de litio también han sido noticia últimamente. Eso es porque estas baterías tienen la capacidad de estallar en llamas ocasionalmente. No es muy común, solo dos o tres paquetes de baterías por millón tienen un problema, pero cuando sucede, es extremo. En algunas situaciones, la tasa de fallas puede aumentar, y cuando eso sucede, termina con un retiro mundial de baterías que puede costar a los fabricantes millones de dólares.

Entonces, la pregunta es, ¿qué hace que estas baterías sean tan energéticas y tan populares? ¿Cómo estallan en llamas? ¿Y hay algo que pueda hacer para prevenir el problema o ayudar a que sus baterías duren más? En este artículo, responderemos estas preguntas y más.

Las baterías de iones de litio son populares porque tienen una serie de ventajas importantes sobre las tecnologías de la competencia:

• Por lo general, son mucho más ligeras que otros tipos de baterías recargables del mismo tamaño. Los electrodos de una batería de iones de litio están hechos de litio y carbono livianos. El litio también es un elemento altamente reactivo, lo que significa que se puede almacenar mucha energía en sus enlaces atómicos. Esto se traduce en una densidad de energía muy alta para las baterías de iones de litio. Aquí hay una forma de obtener una perspectiva de la densidad de energía. Una batería de iones de litio típica puede almacenar 150 vatios-hora de electricidad en 1 kilogramo de batería. Un paquete de baterías de NiMH (níquel-hidruro metálico) puede almacenar quizás 100 vatios-hora por kilogramo, aunque de 60 a 70 vatios-hora puede ser más típico. Una batería de plomo-ácido puede almacenar solo 25 vatios-hora por kilogramo. Con la tecnología de plomo-ácido, se necesitan 6 kilogramos para almacenar la misma cantidad de energía que puede manejar una batería de iones de litio de 1 kilogramo. Esa es una gran diferencia
• Mantienen su cargo. Un paquete de baterías de iones de litio pierde solo alrededor del 5 por ciento de su carga por mes, en comparación con una pérdida del 20 por ciento por mes para las baterías de NiMH.
• No tienen efecto memoria, lo que significa que no es necesario descargarlos por completo antes de recargarlos, como ocurre con otras sustancias químicas de la batería.
• Las baterías de iones de litio pueden soportar cientos de ciclos de carga / descarga.

Eso no quiere decir que las baterías de iones de litio sean impecables. También tienen algunas desventajas:

• Comienzan a degradarse tan pronto como salen de la fábrica. Solo durarán dos o tres años a partir de la fecha de fabricación, tanto si los utilizas como si no.
• Son extremadamente sensibles a las altas temperaturas. El calor hace que los paquetes de baterías de iones de litio se degraden mucho más rápido de lo que normalmente lo harían.
• Si descarga completamente una batería de iones de litio, se arruina.
• Una batería de iones de litio debe tener una computadora a bordo para administrar la batería. Esto los hace aún más caros de lo que ya son.
• Existe una pequeña posibilidad de que, si falla una batería de iones de litio, estalle en llamas.

Muchas de estas características pueden entenderse observando la química dentro de una celda de iones de litio. Veremos esto a continuación.

Los paquetes de baterías de iones de litio vienen en todas las formas y tamaños, pero todos tienen el mismo aspecto por dentro. Si tuviera que desmontar el paquete de baterías de una computadora portátil (algo que NO recomendamos debido a la posibilidad de que se produzca un cortocircuito en una batería y se inicie un incendio), encontrará lo siguiente:

• Las celdas de iones de litio pueden ser baterías cilíndricas que parecen casi idénticas a las pilas AA, o pueden ser prismáticas, lo que significa que son cuadradas o rectangulares La computadora, que comprende:
• Uno o más sensores de temperatura para controlar la temperatura de la batería
• Un circuito convertidor y regulador de voltaje para mantener niveles seguros de voltaje y corriente.
• Un conector de portátil blindado que permite que la energía y la información entren y salgan de la batería
• Una toma de voltaje, que monitorea la capacidad de energía de las celdas individuales en el paquete de baterías
• Un monitor de estado de carga de la batería, que es una pequeña computadora que maneja todo el proceso de carga para asegurarse de que las baterías se carguen lo más rápida y completamente posible.

Si la batería se calienta demasiado durante la carga o el uso, la computadora apagará el flujo de energía para tratar de enfriar las cosas. Si deja su computadora portátil en un automóvil extremadamente caliente e intenta usarla, esta computadora puede evitar que se encienda hasta que las cosas se enfríen. Si alguna vez las celdas se descargan por completo, el paquete de baterías se apagará porque las celdas están arruinadas. También puede realizar un seguimiento de la cantidad de ciclos de carga / descarga y enviar información para que el medidor de batería de la computadora portátil pueda indicarle cuánta carga queda en la batería.

Es una pequeña computadora bastante sofisticada y se alimenta de las baterías. Este consumo de energía es una de las razones por las que las baterías de iones de litio pierden el 5 por ciento de su energía cada mes cuando están inactivas.

Celdas de iones de litio

Como ocurre con la mayoría de las baterías, tiene una carcasa exterior de metal. El uso de metal es particularmente importante aquí porque la batería está presurizada. Esta caja de metal tiene una especie de orificio de ventilación sensible a la presión. Si la batería se calienta tanto que corre el riesgo de explotar por sobrepresión, esta ventilación liberará la presión adicional. La batería probablemente quedará inutilizada después, así que esto es algo que se debe evitar. El respiradero está estrictamente allí como medida de seguridad. También lo es el interruptor de coeficiente de temperatura positivo (PTC), un dispositivo que se supone que evita que la batería se sobrecaliente.

Esta caja de metal contiene una espiral larga que comprende tres láminas delgadas presionadas juntas:

• Un electrodo positivo
• Un electrodo negativo
• Un separador

En el interior de la caja, estas láminas están sumergidas en un disolvente orgánico que actúa como electrolito. El éter es un solvente común.

El separador es una lámina muy fina de plástico microperforado. Como su nombre lo indica, separa los electrodos positivos y negativos mientras permite el paso de los iones.

El electrodo positivo está hecho de óxido de cobalto de litio o LiCoO2. El electrodo negativo está hecho de carbono. Cuando la batería se carga, los iones de litio se mueven a través del electrolito desde el electrodo positivo al electrodo negativo y se adhieren al carbono. Durante la descarga, los iones de litio regresan al LiCoO2 desde el carbono.

El movimiento de estos iones de litio ocurre a un voltaje bastante alto, por lo que cada celda produce 3.7 voltios. Esto es mucho más alto que los 1,5 voltios típicos de una pila alcalina AA normal que compra en el supermercado y ayuda a que las baterías de iones de litio sean más compactas en dispositivos pequeños como teléfonos móviles. Consulte Cómo funcionan las baterías para obtener detalles sobre las diferentes químicas de las baterías.

Veremos cómo prolongar la vida útil de una batería de iones de litio y exploraremos por qué pueden explotar a continuación.

Vida y muerte de la batería de iones de litio

Los paquetes de baterías de iones de litio son costosos, por lo que si desea que los suyos duren más, aquí hay algunas cosas que debe tener en cuenta:

• La química de iones de litio prefiere la descarga parcial a la descarga profunda, por lo que es mejor evitar llevar la batería a cero. Dado que la química de iones de litio no tiene "memoria", no daña la batería con una descarga parcial. Si el voltaje de una celda de iones de litio cae por debajo de cierto nivel, se arruina.
• Las baterías de iones de litio envejecen. Solo duran de dos a tres años, incluso si están en un estante sin usar. Por lo tanto, no "evite usar" la batería pensando que la batería durará cinco años. No lo hará. Además, si va a comprar una batería nueva, debe asegurarse de que realmente sea nueva. Si ha estado en un estante de la tienda durante un año, no durará mucho. Las fechas de fabricación son importantes.
• Evite el calor, que degrada las baterías.

Explosión de baterías

Ahora que sabemos cómo hacer que las baterías de iones de litio funcionen por más tiempo, veamos por qué pueden explotar.

Si la batería se calienta lo suficiente como para encender el electrolito, se producirá un incendio. Hay videoclips y fotos en la Web que muestran cuán graves pueden ser estos incendios. El artículo de CBC, "Verano de la computadora portátil explosiva", resume varios de estos incidentes.

Cuando ocurre un incendio como este, generalmente es causado por un corto interno en la batería. Recuerde de la sección anterior que las celdas de iones de litio contienen una hoja separadora que mantiene separados los electrodos positivo y negativo. Si esa hoja se perfora y los electrodos se tocan, la batería se calienta muy rápidamente. Es posible que haya experimentado el tipo de calor que puede producir una batería si alguna vez se ha puesto una batería normal de 9 voltios en el bolsillo. Si una moneda se corta en los dos terminales, la batería se calienta bastante.

En una falla del separador, ocurre el mismo tipo de cortocircuito dentro de la batería de iones de litio. Dado que las baterías de iones de litio son tan energéticas, se calientan mucho. El calor hace que la batería ventile el solvente orgánico usado como electrolito, y el calor (o una chispa cercana) puede encenderla. Una vez que eso sucede dentro de una de las celdas, el calor del fuego cae en cascada a las otras celdas y todo el paquete se incendia.

Es importante señalar que los incendios son muy raros. Aún así, solo se necesitan un par de incendios y un poco de medios cobertura para provocar un retiro del mercado.

Diferentes tecnologías de litio

En primer lugar, es importante tener en cuenta que existen muchos tipos de baterías de "iones de litio". El punto a tener en cuenta en esta definición se refiere a una "familia de baterías".
Hay varias baterías de "iones de litio" diferentes dentro de esta familia que utilizan diferentes materiales para su cátodo y ánodo. Como resultado, presentan características muy diferentes y, por lo tanto, son adecuados para diferentes aplicaciones.

Fosfato de litio y hierro (LiFePO4)

El fosfato de litio y hierro (LiFePO4) es una tecnología de litio bien conocida en Australia debido a su amplio uso e idoneidad para una amplia gama de aplicaciones.
Las características de bajo precio, alta seguridad y buena energía específica, hacen de esta una opción sólida para muchas aplicaciones.
El voltaje de celda LiFePO4 de 3.2V / celda también la convierte en la tecnología de litio preferida para el reemplazo de ácido de plomo sellado en una serie de aplicaciones clave.

Batería LiPO

De todas las opciones de litio disponibles, hay varias razones por las que LiFePO4 ha sido seleccionado como la tecnología de litio ideal para reemplazar el SLA. Las principales razones se deben a sus favorables características a la hora de analizar las principales aplicaciones en las que actualmente existen SLA. Éstos incluyen:

• Voltaje similar al SLA (3,2 V por celda x 4 = 12,8 V) lo que los hace ideales para el reemplazo del SLA.
• La forma más segura de las tecnologías de litio.
• Respetuoso con el medio ambiente: el fosfato no es peligroso y, por lo tanto, es amigable con el medio ambiente y no constituye un riesgo para la salud.
• Amplio rango de temperatura.

Características y beneficios de LiFePO4 en comparación con SLA

A continuación se muestran algunas características clave de una batería de fosfato de hierro y litio que brindan algunas ventajas significativas de SLA en una variedad de aplicaciones. Esta no es una lista completa, sin embargo, cubre los elementos clave. Se ha seleccionado una batería AGM de 100AH como SLA, ya que este es uno de los tamaños más utilizados en aplicaciones de ciclo profundo. Este AGM de 100AH se ha comparado con un LiFePO4 de 100AH con el fin de comparar un igual por igual lo más cerca posible.

Característica - Peso:

Comparación

• LifePO4 es menos de la mitad del peso del SLA
• AGM ciclo profundo - 27,5Kg
• LiFePO4 - 12,2 kg

Beneficios

• Aumenta la eficiencia del combustible
  • En aplicaciones de caravanas y embarcaciones, se reduce el peso de remolque.
• Aumenta la velocidad
  • En aplicaciones de embarcaciones se puede aumentar la velocidad del agua
• Reducción del peso total
• Mayor tiempo de ejecución

El peso tiene una gran influencia en muchas aplicaciones, especialmente cuando se trata de remolque o velocidad, como caravanas y paseos en bote. Otras aplicaciones que incluyen iluminación portátil y aplicaciones de cámara donde es necesario llevar las baterías.

Característica - Mayor vida útil:

Comparación

• Hasta 6 veces el ciclo de vida
• Ciclo profundo AGM - 300 ciclos @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 ciclos @ 100% DoD

Beneficios

• Menor costo total de propiedad (costo por kWh mucho menor durante la vida útil de la batería para LiFePO4)
• Reducción de los costos de reemplazo: reemplace el AGM hasta 6 veces antes de que sea necesario reemplazar el LiFePO4

El mayor ciclo de vida significa que el costo inicial adicional de una batería LiFePO4 está más que compensado durante el uso de la batería. Si se usa a diario, un AGM deberá reemplazarse aprox. 6 veces antes de que sea necesario reemplazar el LiFePO4

Característica - Curva de descarga plana:

Comparación

• A 0.2C (20A) de descarga
• AGM - cae por debajo de 12V después
• 1,5 horas de tiempo de ejecución
• LiFePO4: cae por debajo de 12V después de aproximadamente 4 horas de tiempo de ejecución

Beneficios

• Uso más eficiente de la capacidad de la batería
• Potencia = Voltios x Amperios
• Una vez que el voltaje comienza a caer, la batería deberá suministrar amperes más altos para proporcionar la misma cantidad de energía.
• Un voltaje más alto es mejor para la electrónica
• Mayor tiempo de ejecución del equipo
• Uso completo de la capacidad incluso a alta tasa de descarga
• Descarga AGM @ 1C = 50% de capacidad
• Descarga de LiFePO4 @ 1C = 100% de capacidad

Esta característica es poco conocida pero es una gran ventaja y brinda múltiples beneficios. Con la curva de descarga plana de LiFePO4, el voltaje del terminal se mantiene por encima de 12V para un uso de capacidad de hasta un 85-90%. Debido a esto, se requieren menos amperios para suministrar la misma cantidad de energía (P = VxA) y, por lo tanto, el uso más eficiente de la capacidad conduce a un tiempo de ejecución más prolongado. El usuario tampoco notará la ralentización del dispositivo (carrito de golf, por ejemplo) antes.

Junto con esto, el efecto de la ley de Peukert es mucho menos significativo con el litio que con el AGM. Esto da como resultado tener disponible un gran porcentaje de la capacidad de la batería sin importar la tasa de descarga. A 1C (o descarga de 100A para una batería de 100AH), la opción LiFePO4 todavía le dará 100AH frente a solo 50AH para AGM.

Característica - Mayor uso de capacidad:

Comparación

• AGM recomendado DoD = 50%
• LiFePO4 recomendado DoD = 80%
• Ciclo profundo AGM - 100AH x 50% = 50Ah utilizable
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Diferencia = 30 Ah o 60% más de capacidad de uso

Beneficios

• Mayor tiempo de ejecución o batería de menor capacidad para reemplazo

El mayor uso de la capacidad disponible significa que el usuario puede obtener hasta un 60% más de tiempo de ejecución con la misma opción de capacidad en LiFePO4, u optar alternativamente por una batería LiFePO4 de menor capacidad mientras sigue logrando el mismo tiempo de ejecución que el AGM de mayor capacidad.

Característica - Mayor eficiencia de carga:

Comparación

• AGM: la carga completa tarda aprox. 8 horas
• LiFePO4: la carga completa puede ser tan baja como 2 horas

Beneficios

• Batería cargada y lista para ser utilizada de nuevo más rápidamente

Otro gran beneficio en muchas aplicaciones. Debido a la menor resistencia interna, entre otros factores, LiFePO4 puede aceptar carga a una velocidad mucho mayor que AGM. Esto les permite cargarse y estar listos para usar mucho más rápido, lo que genera muchos beneficios.

Característica - Tasa de autodescarga baja:

Comparación

• AGM: descarga al 80% de SOC después de 4 meses
• LiFePO4: descarga al 80% después de 8 meses

Beneficios

• Puede dejarse almacenado durante más tiempo

Esta característica es importante para los vehículos recreativos que solo pueden usarse durante un par de meses al año antes de almacenarse durante el resto del año, como caravanas, barcos, motocicletas y motos de agua, etc. Junto con este punto, LiFePO4 no se calcifica y, por lo tanto, incluso después de permanecer durante períodos prolongados de tiempo, es menos probable que la batería se dañe permanentemente. Una batería LiFePO4 no se daña si no se deja almacenada en un estado de carga completa.

Por lo tanto, si sus aplicaciones garantizan alguna de las características anteriores, se asegurará de que su dinero valga la pena por el gasto adicional en una batería LiFePO4. En las próximas semanas se publicará un artículo de seguimiento que incluirá los aspectos de seguridad de LiFePO4 y diferentes químicas del litio.