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Batería de iones de litio. Li-Ion o Li-Po: cuál es la diferencia y qué elegir

Al leer "consejos para operar" baterías en los foros, uno no puede evitar pensar: o la gente se saltó la física y la química en la escuela, o piensan que las reglas para operar baterías de plomo-ácido y de iones son las mismas.
Comencemos con los principios de funcionamiento de una batería de iones de litio. En los dedos, todo es extremadamente simple: hay un electrodo negativo (generalmente de cobre), uno positivo (de aluminio), entre ellos hay una sustancia porosa (separador) impregnada con electrolito (evita la " Transferencia no autorizada de iones de litio entre los electrodos):

El principio de funcionamiento se basa en la capacidad de los iones de litio de integrarse en la red cristalina de diversos materiales (generalmente grafito u óxido de silicio) mediante la formación de enlaces químicos: en consecuencia, durante la carga, los iones se integran en la red cristalina. acumulando así una carga en un electrodo, y cuando se descargan, respectivamente, regresan al otro electrodo, regalando el electrón que necesitamos (quién está interesado en una explicación más precisa de los procesos que tienen lugar: intercalación en Google). Como electrolitos se utilizan soluciones que contienen agua, que no contienen un protón libre y que son estables en un amplio rango de voltaje. Como puede ver, en las baterías modernas todo se hace de manera bastante segura: no hay litio metálico, no hay nada que explote, solo iones pasan a través del separador.
Ahora que ya está más o menos claro el principio de funcionamiento, pasemos a los mitos más comunes sobre las baterías de Li-Ion:

Mito uno. La batería de iones de litio del dispositivo no se puede descargar al cero por ciento.
De hecho, todo suena correcto y es consistente con la física: cuando se descarga a ~2,5 V, la batería de Li-Ion comienza a degradarse muy rápidamente, e incluso una descarga de este tipo puede reducir significativamente (¡hasta un 10%) su capacidad! Además, si el voltaje se descarga a dicho voltaje con un cargador estándar, ya no será posible cargarlo; si el voltaje de la celda de la batería cae por debajo de ~3 V, el controlador "inteligente" lo apagará por estar dañado. y si existen todas esas celdas, la batería se puede tirar a la basura.
Pero hay una cosa muy importante que todos olvidan: en teléfonos, tabletas y otros dispositivos móviles, el rango de voltaje de funcionamiento de la batería es de 3,5 a 4,2 V. Cuando el voltaje cae por debajo de 3,5 V, el indicador muestra cero por ciento de carga y el dispositivo se apaga, pero antes de los 2,5 V "críticos" todavía está muy lejos. Esto se confirma por el hecho de que si conecta un LED a una batería tan "descargada", puede permanecer encendida durante mucho tiempo (tal vez alguien recuerde que solían vender teléfonos con linternas que se encendían con un botón independientemente de la Entonces la luz allí continuó encendida incluso después de descargar y apagar el teléfono). Es decir, como puede ver, durante el uso normal, no se produce una descarga a 2,5 V, lo que significa que es muy posible descargar la batería al cero por ciento.
Mito dos. Si las baterías de iones de litio se dañan, explotan.
Todos recordamos el Samsung Galaxy Note 7 "explosivo". Sin embargo, esto es más bien una excepción a la regla: sí, el litio es un metal muy activo y no es difícil explotarlo en el aire (y arde con mucha intensidad en agua). Sin embargo, las baterías modernas no utilizan litio, sino sus iones, que son mucho menos activos. Entonces, para que ocurra una explosión, debe esforzarse mucho: dañar físicamente la batería que se está cargando (provocando un cortocircuito) o cargarla con un voltaje muy alto (luego se dañará, pero lo más probable es que el controlador simplemente se queme). se agota y no permite que la batería se cargue). Por lo tanto, si de repente tienes en tus manos una batería dañada o humeante, no la arrojes sobre la mesa y salgas corriendo de la habitación gritando "vamos a morir todos", simplemente colócala en un recipiente de metal y llévala. salga al balcón (para no respirar los productos químicos): la batería arderá durante un tiempo y luego se apagará. Lo principal es no llenarlo con agua, los iones, por supuesto, son menos activos que el litio, pero aun así se liberará cierta cantidad de hidrógeno al reaccionar con el agua (y le gusta explotar).
Mito tres. Cuando una batería de Li-Ion alcanza los 300 (500/700/1000/100500) ciclos, se vuelve insegura y necesita ser reemplazada urgentemente.
Un mito, afortunadamente, que cada vez circula menos en los foros y que no tiene explicación física ni química alguna. Sí, durante el funcionamiento, los electrodos se oxidan y corroen, lo que reduce la capacidad de la batería, pero esto no amenaza con nada más que una duración más corta de la batería y un comportamiento inestable con una carga del 10-20%.
Mito cuatro. Las baterías de iones de litio no se pueden utilizar en climas fríos.
Esto es más una recomendación que una prohibición. Muchos fabricantes prohíben el uso de teléfonos a temperaturas bajo cero y muchos han experimentado una descarga rápida e incluso un apagado de los teléfonos en el frío. La explicación es muy simple: el electrolito es un gel que contiene agua, y todo el mundo sabe lo que le sucede al agua a temperaturas bajo cero (sí, se congela, en todo caso), inutilizando así una parte de la batería. Esto provoca una caída de voltaje y el controlador comienza a considerarlo como una descarga. Esto no es bueno para la batería, pero tampoco es fatal (después de calentarla, la capacidad volverá), por lo que si necesita desesperadamente usar el teléfono en el frío (para usarlo, sáquelo de un bolsillo cálido, verifique el tiempo y volver a colocarlo no cuenta), entonces es mejor cargarlo al 100% y activar cualquier proceso que cargue el procesador; esto lo enfriará más lentamente.
Mito quinto. Una batería de Li-Ion hinchada es peligrosa y debe desecharse inmediatamente.
Esto no es exactamente un mito, sino más bien una precaución: una batería hinchada simplemente puede explotar. Desde un punto de vista químico, todo es simple: durante el proceso de intercalación, los electrodos y el electrolito se descomponen, lo que resulta en la liberación de gas (también se puede liberar durante la recarga, pero más sobre esto a continuación). Pero se libera muy poco, y para que la batería parezca hinchada, deben pasar varios cientos (si no miles) de ciclos de recarga (a menos, por supuesto, que esté defectuosa). No hay problemas para deshacerse del gas: simplemente perfore la válvula (en algunas baterías se abre sola cuando hay exceso de presión) y purgue (no recomiendo respirar con ella), después de lo cual puede tapar el orificio con epoxi. resina. Por supuesto, esto no devolverá la batería a su capacidad anterior, pero al menos ahora definitivamente no explotará.
Mito seis. La sobrecarga es perjudicial para las baterías de iones de litio.
Pero esto ya no es un mito, sino una dura realidad: al recargar, existe una alta probabilidad de que la batería se hinche, explote y se incendie; créanme, hay poco placer en ser salpicado con electrolito hirviendo. Por lo tanto, todas las baterías tienen controladores que simplemente evitan que la batería se cargue por encima de un determinado voltaje. Pero aquí debes tener mucho cuidado al elegir la batería: los controladores artesanales chinos a menudo pueden fallar y no creo que los fuegos artificiales de tu teléfono a las 3 am te hagan feliz. Por supuesto, el mismo problema existe con las baterías de marca, pero en primer lugar, esto sucede con mucha menos frecuencia allí y, en segundo lugar, reemplazarán todo su teléfono bajo garantía. Este mito suele dar lugar a lo siguiente:
Mito séptimo. Cuando alcance el 100%, deberá retirar el teléfono de la carga.
Según el sexto mito, esto parece razonable, pero en realidad no tiene sentido levantarse en medio de la noche y desconectar el dispositivo: en primer lugar, las fallas del controlador son extremadamente raras y, en segundo lugar, incluso cuando el indicador alcanza el 100%, el La batería todavía se carga durante algún tiempo a corrientes bajas muy, muy máximas, lo que agrega otro 1-3% de capacidad. Entonces, en realidad, no deberías ir a lo seguro.
Mito ocho. Puede cargar el dispositivo únicamente con el cargador original.
El mito existe debido a la mala calidad de los cargadores chinos: con un voltaje normal de 5 +- 5% voltios, pueden producir 6 y 7; el controlador, por supuesto, suavizará este voltaje durante algún tiempo, pero en el futuro En el mejor de los casos, provocará que el controlador se queme y, en el peor de los casos, provocará una explosión y (o) falla de la placa base. También sucede lo contrario: bajo carga, el cargador chino produce 3-4 voltios: esto hará que la batería no pueda cargarse por completo.

Como se desprende de una gran cantidad de conceptos erróneos, no todos tienen una explicación científica y, aún menos, empeoran el rendimiento de las baterías. Pero esto no significa que después de leer mi artículo deba precipitarse y comprar baterías chinas baratas por un par de dólares; sin embargo, para mayor durabilidad, es mejor tomar las originales o copias de alta calidad de las originales.

Que se utiliza ampliamente en la electrónica de consumo moderna y encuentra su aplicación como fuente de energía en vehículos eléctricos y dispositivos de almacenamiento de energía en sistemas energéticos. Este es el tipo de batería más popular en dispositivos como teléfonos móviles, portátiles, vehículos eléctricos, cámaras digitales y videocámaras. Sony lanzó la primera batería de iones de litio en 1991.

Características

Dependiendo del circuito electroquímico, las baterías de iones de litio presentan las siguientes características:

El voltaje de un solo elemento es de 3,6 V.
Voltaje máximo 4,2 V, mínimo 2,5–3,0 V. Los dispositivos de carga admiten voltaje en el rango 4,05–4,2 V
Densidad de energía: 110 … 230 W*h/kg
Resistencia interna: 5 ... 15 mOhm/1Ah
Número de ciclos de carga/descarga hasta perder el 20% de la capacidad: 1000-5000
Tiempo de carga rápida: 15 min - 1 hora
Autodescarga a temperatura ambiente: 3% mensual
Corriente de carga relativa a la capacidad (C):
- constante - hasta 65C, pulsado - hasta 500C
- más aceptable: hasta 1C
Rango de temperatura de funcionamiento: −0 ... +60 °C (a temperaturas bajo cero no es posible cargar las baterías)

Dispositivo

Una batería de iones de litio consta de electrodos (material catódico sobre lámina de aluminio y material anódico sobre lámina de cobre) separados por separadores porosos impregnados de electrolito. El paquete de electrodos se coloca en una carcasa sellada, los cátodos y ánodos se conectan a los terminales del colector de corriente. La carcasa tiene una válvula de seguridad que alivia la presión interna en situaciones de emergencia y violación de las condiciones de operación. Las baterías de iones de litio varían según el tipo de material del cátodo utilizado. El portador de corriente en una batería de iones de litio es un ion de litio cargado positivamente, que tiene la capacidad de penetrar (intercalarse) en la red cristalina de otros materiales (por ejemplo, en grafito, óxidos metálicos y sales) para formar un enlace químico. por ejemplo: en grafito con formación de LiC6, óxidos (LiMO 2) y sales (LiM R O N) de metales. Inicialmente se utilizó litio metálico como placas negativas y luego coque de carbón. Posteriormente se empezó a utilizar el grafito. Hasta hace poco se utilizaban óxidos de litio con cobalto o manganeso como placas positivas, pero cada vez más se sustituyen por ferrofosfato de litio, que ha demostrado ser seguro, económico, no tóxico y que puede reciclarse de forma respetuosa con el medio ambiente. Las baterías de iones de litio se utilizan junto con un sistema de seguimiento y control: SKU o BMS (sistema de gestión de baterías) y un dispositivo de carga/descarga especial. Actualmente, en la producción en masa de baterías de iones de litio, se utilizan tres clases de materiales catódicos: - cobaltato de litio LiCoO 2 y soluciones sólidas basadas en su niquelato de litio isoestructural - espinela de litio y manganeso LiMn 2 O 4 - ferrofosfato de litio LiFePO 4. Circuitos electroquímicos de baterías de iones de litio: litio-cobalto LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 litio-ferrofosfato LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6

Debido a la baja autodescarga y la gran cantidad de ciclos de carga y descarga, las baterías de iones de litio son las más preferibles para su uso en energías alternativas. Además, además del sistema BMS (SKU), están equipados con inversores (convertidores de tensión).

Ventajas

Alta densidad de energía.
Baja autodescarga.
Sin efecto memoria.
No requiere mantenimiento.

Defectos

Las baterías de iones de litio de primera generación sufrieron efectos explosivos. Esto se explica por el hecho de que utilizaron un ánodo de metal de litio, en el que durante múltiples ciclos de carga y descarga se formaban formaciones espaciales (dendritas), que provocaban un cortocircuito de los electrodos y, como resultado, un incendio o una explosión. Este problema finalmente se resolvió reemplazando el material del ánodo por grafito. Procesos similares ocurrieron en los cátodos de las baterías de iones de litio basadas en óxido de cobalto cuando se violaron las condiciones de funcionamiento (sobrecarga). Las baterías de ferrofosfato de litio están completamente libres de estas desventajas. Además, todas las baterías modernas de iones de litio tienen circuitos electrónicos incorporados que evitan la sobrecarga y el sobrecalentamiento debido a la sobrecarga.

Las baterías de iones de litio pueden tener un ciclo de vida más corto cuando se descargan incontroladamente en comparación con otros tipos de baterías. Cuando están completamente descargadas, las baterías de iones de litio pierden la capacidad de cargarse cuando se conecta el voltaje de carga. Este problema se puede resolver aplicando un pulso de voltaje más alto, pero esto afecta negativamente el rendimiento adicional de las baterías de iones de litio. La "vida" máxima de una batería de iones de litio se logra cuando la carga se limita desde arriba al 95% y la descarga se limita al 15-20%. Este modo de funcionamiento es compatible con el sistema de control y monitoreo (SKU) BMS, que se incluye con cualquier batería de iones de litio.

Las condiciones óptimas de almacenamiento para las baterías de iones de litio se logran cuando se cargan a un nivel del 40 al 70 % de la capacidad de la batería y a una temperatura de aproximadamente 5 °C. Al mismo tiempo, la baja temperatura es un factor más importante para pequeñas pérdidas de capacidad durante el almacenamiento a largo plazo. La vida útil (servicio) promedio de una batería de iones de litio es de 36 meses en promedio, aunque puede oscilar entre 24 y 60 meses.

Pérdida de capacidad durante el almacenamiento:

temperatura	con 40% de carga	con 100% de carga
0⁰C	2% por año	6% por año
25⁰C	4% anual	20% anual
40⁰C	15% anual	35% anual
60⁰C	25% anual	40% para tres meses

De acuerdo con todas las normas vigentes para el almacenamiento y funcionamiento de baterías de iones de litio, para garantizar un almacenamiento a largo plazo es necesario recargarlas al 70% de su capacidad una vez cada 6 a 9 meses.

ver también

Notas

Literatura

Khrustalev D. A. Baterías. M: Izumrud, 2003.
Yuri Filippovsky Comida móvil. Parte 2. (RU). ComputerLab (26 de mayo de 2009). - Artículo detallado sobre baterías de iones de litio obtenido el 26 de mayo de 2009.

Enlaces

GOST 15596-82 Términos y definiciones.
GOST 61960-2007 Baterías recargables y baterías de litio.
Baterías de iones de litio y polímeros de litio. iXBT (2001)
Baterías domésticas de iones de litio


Célula galvánica	Celda galvánica Daniel \| Elemento alcalino \| \| Elemento seco \| Elemento de concentración \| Elemento de aire de zinc \| Elemento normal de Weston
baterias electricas	Ácido de plomo \| Plata-zinc \| Níquel-cadmio \| Hidruro metálico de níquel \| Batería de níquel-zinc \| Iones de litio \| Polímero de litio \| Sulfuro de hierro y litio \| Fosfato de hierro y litio \| Titanato de litio \| Vanadio \| hierro-níquel
Celdas de combustible	Metanol directo \| Óxido sólido \| Alcalino
Modelos	Batería \| Batería eléctrica \| Pila de combustible
Dispositivo

Cuando hablan de baterías o acumuladores de litio, la mayoría de las veces ni siquiera se dan cuenta de que en los últimos años han aparecido casi una docena de ellas, cada una de las cuales es litio con diversos aditivos de otros elementos químicos, que al final difieren significativamente de entre sí.

Veamos sus tipos y comencemos con los clásicos:

Las baterías de iones de litio son baterías recargables clásicas en las que los iones de litio pasan del electrodo negativo al electrodo positivo durante la descarga y viceversa durante la carga. Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en la electrónica de consumo. Son uno de los tipos de baterías recargables más populares para electrónica portátil, con una de las mejores densidades de energía, sin efecto memoria y con una lenta pérdida de carga cuando no están en uso (baja autodescarga).

Esta serie cubre tamaños de baterías cilíndricas y prismáticas. Li-ion tiene la mayor densidad de potencia de cualquier tipo de batería anterior. Su peso muy ligero y su largo ciclo de vida lo convierten en un producto ideal para muchas soluciones.

El titanato de litio (titanato de litio) es una clase relativamente nueva de baterías de iones de litio (más detalles). Se caracteriza por un ciclo de vida muy largo, medido en miles de ciclos. El titanato de plomo y litio también es muy seguro y comparable a este respecto con el fosfato de hierro. La densidad de energía es menor que la de otras fuentes de energía de iones de litio y su voltaje nominal es de 2,4 V.

Esta tecnología presenta una carga muy rápida, baja resistencia interna, un ciclo de vida muy alto y una excelente resistencia (también seguridad). LTO ha encontrado su aplicación principalmente en vehículos eléctricos y relojes de pulsera. Recientemente, ha comenzado a encontrar aplicación en dispositivos médicos móviles debido a su alta seguridad. Una de las características de la tecnología es que utiliza nanocristales en el ánodo en lugar de carbono, lo que proporciona una superficie mucho más eficiente. Desafortunadamente, esta batería tiene voltajes más bajos que otros tipos de baterías de litio.

Peculiaridades:

Energía específica: aproximadamente 30-110 Wh/kg
Densidad de energía: 177 W * h/l
Potencia específica: 3.000-5.100 W/kg
Eficiencia de descarga: aproximadamente 85%; Eficiencia de carga superior al 95%.
Precio de la energía: 0,5 W/dólar
Vida útil: >10 años
Autodescarga: 2-5%/mes
Durabilidad: 6000 ciclos al 90% de su capacidad
Tensión nominal: 1,9 a 2,4 V
Temperatura: -40 a +55°C
Método de carga: utiliza corriente constante estable, luego voltaje constante hasta alcanzar el umbral.

Fórmula química: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2< >Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2(E=2,1V)

El polímero de litio tiene una mayor densidad energética en términos de peso que las baterías de iones de litio. En celdas muy delgadas (hasta 5 mm), el polímero de litio proporciona una alta densidad de energía volumétrica. Excelente estabilidad en sobretensiones y altas temperaturas.

Esta serie de baterías se puede producir en el rango de 30 a 23000 mAh, con carcasa prismática y cilíndrica. Las baterías de polímero de litio ofrecen una serie de ventajas: mayor densidad de energía por volumen, flexibilidad en el tamaño de las celdas y un margen de seguridad más amplio, con una excelente estabilidad de voltaje incluso a altas temperaturas. Principales áreas de aplicación: reproductores portátiles, Bluetooth, dispositivos inalámbricos, PDA y cámaras digitales, bicicletas eléctricas, navegadores GPS, ordenadores portátiles, lectores electrónicos.

Peculiaridades:

Tensión nominal: 3,7 V
Voltaje de carga: 4,2 ± 0,05 V
Corriente de carga, velocidad: 0,2-10C
Límite de voltaje de descarga: 2,5 V
Velocidad de descarga: hasta 50C
Resistencia del ciclo: 400 ciclos

El fosfato de hierro y litio tiene buenas características de seguridad, larga vida útil (hasta 2000 ciclos) y bajo costo de producción. Las baterías LiFePO4 son muy adecuadas para aplicaciones de alta corriente de descarga, como equipos militares, herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas, computadoras móviles, UPS y sistemas de energía solar.

Como nuevo material de ánodo para baterías de iones de litio, lifepo4 se introdujo por primera vez en 1997 y se ha mejorado continuamente hasta la fecha. Ha atraído la atención de los expertos debido a su seguridad confiable, durabilidad, bajo impacto ambiental durante su eliminación y características convenientes de carga y descarga. Muchos expertos afirman que las baterías lifepo4 son, con diferencia, la mejor opción para alimentar dispositivos electrónicos de forma autónoma.

Dióxido de azufre y litio (baterías de Li y SO2): estas baterías tienen una alta densidad de energía y buena resistencia a las descargas de alta potencia. Estos elementos se utilizan principalmente en ciencia militar, meteorología y astronáutica.

Las baterías de dióxido de azufre y litio con un ánodo de metal de litio (el más ligero de todos los metales) y un cátodo líquido que contiene un colector de corriente de carbono poroso lleno de dióxido de azufre (SO2) producen un voltaje de 2,9 V y tienen forma cilíndrica.

Peculiaridades:

Alto voltaje de funcionamiento, estable durante la mayor parte de la descarga.
Autodescarga extremadamente baja
Rendimiento en condiciones extremas
Amplio rango de temperatura de funcionamiento (-55°C a +65°C)

Dióxido de litio y manganeso (batería Li-MnO2): estas baterías tienen un ánodo de metal de litio liviano y un cátodo sólido de dióxido de manganeso, sumergidos en un electrolito orgánico no corrosivo y no tóxico. Este tipo de batería cumple con la directiva RoHS de la UE y se caracteriza por su gran capacidad, alta capacidad de descarga y larga vida útil.

El Li-MnO2 se utiliza ampliamente en fuentes de alimentación de respaldo, balizas de emergencia, alarmas contra incendios, sistemas electrónicos de control de acceso, cámaras digitales y equipos médicos.

Peculiaridades:

Alta densidad de energía
Voltaje de descarga muy estable
Más de 10 años de vida útil
Temperatura de funcionamiento: -40 a +60°C

Las baterías de litio y cloruro de tionilo (litio-SOCl2) cuentan con un ánodo de metal de litio liviano y un cátodo líquido que contiene un colector de corriente de carbono poroso lleno de cloruro de tionilo (SOCl2). Las baterías Li-SOCL2 son ideales para dispositivos automotrices, dispositivos médicos y aplicaciones militares y aeroespaciales. Tienen el rango de temperatura de funcionamiento más amplio, de -60 a + 150°C.

Peculiaridades:

Alta densidad de energía
Larga vida útil
Amplio rango de temperatura
Buen sellado
Voltaje de descarga estable

Baterías Li-FeS2

Las baterías y baterías Li-FeS2 significan disulfuro de hierro y litio. La información sobre ellos se agregará más adelante.

La batería de litio es un dispositivo seguro y que consume energía. Su principal ventaja es que funciona durante mucho tiempo sin cargar. Puede funcionar incluso a las temperaturas más bajas. Debido a su capacidad para almacenar energía, la batería de litio es superior a otros tipos. Por eso su producción aumenta cada año. Pueden tener dos formas: cilíndrica y prismática.

Solicitud

Se utilizan ampliamente en equipos informáticos, teléfonos móviles y otros equipos. Los cargadores de baterías de litio tienen una tensión de funcionamiento de 4 V. La ventaja más importante es el funcionamiento en un amplio rango de temperaturas, que oscila entre -20 °C y +60 °C. Hoy en día existen baterías que pueden funcionar a temperaturas inferiores a -30 °C. Cada año, los desarrolladores intentan aumentar los rangos de temperatura tanto positivos como negativos.

Al principio, una batería de litio pierde alrededor del 5% de su capacidad y esta cifra aumenta cada mes. Este indicador es mejor que el de otros representantes de baterías. Dependiendo del voltaje de carga, pueden durar de 500 a 1000 ciclos.

Tipos de baterías de litio

Existen tipos de baterías de litio que se encuentran en diferentes áreas de la economía doméstica e industrial:

iones de litio: para suministro de energía principal o de respaldo, transporte, herramientas eléctricas;
sal de níquel: transporte por carretera y ferrocarril;
níquel-cadmio: construcción naval y aeronáutica;
hierro-níquel - fuente de alimentación;
níquel-hidrógeno - espacio;
níquel-zinc - cámaras;
plata-zinc - industria militar, etc.

El tipo principal son las baterías de iones de litio. Se utilizan en los campos del suministro de energía, la producción de herramientas eléctricas, teléfonos, etc. Las baterías pueden funcionar a temperaturas de -20 ºС a +40 ºС, pero se están desarrollando avances para aumentar estos rangos.

Con una tensión de tan solo 4 V se genera una cantidad suficiente de calor específico.

Se dividen en diferentes subtipos, que se diferencian en la composición del cátodo. Se modifica reemplazando el grafito o agregándole sustancias especiales.

Baterías de litio: dispositivo

Como regla general, estos dispositivos se fabrican en forma prismática, pero también hay modelos con cuerpo cilíndrico. La parte interna consta de electrodos o separadores. El cuerpo está fabricado en acero o aluminio. Los contactos salen a la tapa de la batería y deben estar aislados. Las baterías prismáticas contienen un cierto número de placas. Están apilados uno encima del otro. Para garantizar una seguridad adicional, la batería de litio tiene un dispositivo especial. Está ubicado en el interior y sirve para controlar el proceso de trabajo.

En caso de situaciones peligrosas, el dispositivo apaga la batería. Además, el equipo cuenta con protección externa. La carcasa está completamente sellada, por lo que no hay fugas de electrolito ni entrada de agua. La carga eléctrica aparece debido a los iones de litio, que interactúan con la red cristalina de otros elementos.

Destornillador con batería de litio

Puede alojar tres tipos de baterías, que se diferencian por la composición de sus cátodos:

cobalto-litio;
ferrofosfato de litio;
manganeso de litio.

Un destornillador con batería de litio se diferencia de los demás por su bajo nivel de autodescarga. Otra ventaja importante es que no requiere mantenimiento. Si una batería de litio se estropea, puedes desecharla ya que no daña a las personas ni al medio ambiente. Lo único negativo es la baja carga de las baterías de litio, así como los altos requisitos de seguridad. Es difícil cargarlo a temperaturas bajo cero.

Características principales

El funcionamiento del destornillador, el estado de su potencia y el tiempo de posible funcionamiento dependen de las características técnicas. Otros indicadores técnicos incluyen:

el voltaje de una batería del dispositivo puede oscilar entre 3 y 5 V;
el indicador de intensidad energética máxima alcanza los 400 Wh/l;
pérdida de carga propia en un 5% y, con el tiempo, en un 20%;
modo de carga complejo;
La batería se carga completamente en 2 horas;
resistencia de 5 a 15 mOhm/Ah;
número de ciclos - 1000 veces;
vida útil: de 3 a 5 años;
el uso de diferentes tipos de corriente para determinadas capacidades de batería, por ejemplo, una capacidad de 65 ºС - se utiliza corriente continua.

Producción

La mayoría de los fabricantes se esfuerzan por hacer que las herramientas eléctricas sean más avanzadas y cumplan con las tecnologías modernas.

Para ello, es necesario prever buenas baterías en el diseño. Las empresas de fabricación más populares son:

empresa bosh. La batería de litio se fabrica utilizando la nueva tecnología ECP. Es ella quien controla la descarga del dispositivo. Otra propiedad útil es la protección contra el sobrecalentamiento. A alta potencia, un dispositivo especial reduce la temperatura. El diseño de la batería tiene orificios que sirven como ventilación y enfrían la batería. Otra tecnología es Charge, gracias a la cual la carga se realiza mucho más rápido. Además, Bosh produce baterías para diversas herramientas eléctricas. Muchos usuarios dejan buenas críticas sobre esta empresa.
Empresa Makita. Produce sus propios microcircuitos que controlan todos los parámetros y procesos operativos de la batería, por ejemplo, la temperatura y el contenido de carga. Gracias a esto, puedes elegir el modo de carga y el tiempo de carga. Estos microcircuitos aumentan la vida útil. Las baterías están fabricadas con una carcasa bastante potente, por lo que no están sujetas a tensiones mecánicas.
Compañía Hitachi. Gracias a su última tecnología se reduce el peso y las dimensiones totales de la batería. Por eso las herramientas eléctricas se vuelven ligeras y móviles.

Características de operación

Cuando utilice una batería, debe cumplir con las siguientes reglas:

No es necesario utilizar una batería de litio para elementos individuales desprotegidos y comprar piezas chinas baratas. Un dispositivo de este tipo no será seguro, ya que no habrá ningún sistema que proteja contra cortocircuitos y temperaturas elevadas. Es decir, si la batería se sobrecalienta significativamente, puede explotar y su vida útil será mucho más corta.
No caliente la batería. A medida que aumenta la temperatura dentro del dispositivo, aumenta la presión. Estas acciones conducirán a una explosión. Por lo tanto, no es necesario abrir la tapa superior de la batería y colocarla en lugares expuestos a la luz solar. Tales acciones acortarán la vida útil.
No acerque fuentes adicionales de electricidad a los contactos en la parte superior de la cubierta, ya que puede ocurrir un cortocircuito. Los sistemas de protección integrados no siempre ayudarán en este asunto.
La batería debe cargarse respetando todas las normas. Al cargar, conviene utilizar unos que distribuyan la corriente de manera uniforme.
El procedimiento de carga de la batería se realiza a temperatura positiva.
Si es necesario conectar varias baterías de litio, entonces debe utilizar modelos del mismo fabricante y similares en características técnicas.
Las baterías de litio deben almacenarse en un lugar seco y no expuesto a la luz solar con temperaturas superiores a los 5 ºC. Cuando el equipo se expone a altas temperaturas, la carga disminuirá. Antes de guardarla durante el invierno, la batería se carga al 50% de su capacidad. Se debe tener cuidado para garantizar que la batería no se descargue por completo. Si esto sucede, cárguelo inmediatamente. Si hay daños mecánicos en la carrocería, así como signos de óxido, el dispositivo no se puede utilizar.
Si durante el funcionamiento la batería experimenta un sobrecalentamiento significativo o humo, debe dejar de usarla inmediatamente. Después de esto, mueva el dispositivo dañado a un lugar seguro. Si una sustancia se libera del cuerpo, se debe evitar que entre en contacto con la piel u otros órganos.
No deseche ni queme las baterías de litio. Su eliminación se produce en caso de daños mecánicos en la carcasa, explosión o entrada de agua o vapor.

sobre el fuego

Si se produce un incendio en una batería de litio, no se puede extinguir con agua y un extintor de incendios; el dióxido de carbono y el agua pueden reaccionar con el litio. Para apagarlo conviene utilizar arena, sal y también un paño grueso.

Proceso de carga

Una batería de litio, cuyo cargador está conectado a corriente continua, se carga a un voltaje de 5 V o más.

Hay un inconveniente: no son resistentes a la sobrecarga. Un aumento de temperatura en el interior de la carcasa provoca daños.

Las instrucciones de funcionamiento indican un nivel especial. Cuando se alcance, se debe cargar. Si aumenta el voltaje de carga, las propiedades de una batería de litio disminuirán significativamente.

Como se indicó anteriormente, la duración de la batería es de 3 años. Para mantener este período, debe respetar las condiciones de funcionamiento, carga y almacenamiento. Además, deben estar en funcionamiento permanentemente y no estar almacenados.

Sobrecargar

El diseño de la batería incluye un sistema de recarga, por lo que no hay que desconectar el cargador y no tener miedo de que la composición del interior hierva, como ocurre con las baterías de coche.

Si el equipo va a estar almacenado por más de un mes, deberá descargarse por completo. Esto prolongará significativamente la vida útil.

Precio

El precio de una batería de iones de litio depende de la capacidad y las características técnicas.

En promedio, varía de 100 a 500 rublos. A pesar de este coste, muchos usuarios dejan críticas positivas. Entre los aspectos positivos se encuentran una amplia gama de temperaturas de funcionamiento, alta potencia y la capacidad de funcionar durante más de 1000 ciclos (aproximadamente 3 años de uso intensivo). Los dispositivos se utilizan ampliamente en diversos campos, por lo que todos pueden apreciar sus beneficios.

Entonces, descubrimos qué son las baterías de litio.

Categoría: Soporte de batería Publicado 30/03/2016 23:38

Los diferentes subtipos de sistemas electroquímicos de iones de litio se denominan según el tipo de sustancia activa y pueden designarse íntegramente con palabras o de forma abreviada mediante fórmulas químicas. Lo que tienen en común las baterías de litio es que todas pertenecen a baterías selladas sin mantenimiento. Estas fórmulas no son muy cómodas de leer o recordar debido a su complejidad, por lo que se simplifican a una abreviatura de letras.

Por ejemplo, la cobaltita de litio, uno de los materiales más comunes para las baterías de iones de litio, tiene la fórmula química LiCoO2 y la abreviatura LCO. Por razones de simplicidad, también se puede utilizar la forma verbal abreviada “litio cobalto”. El cobalto es el principal principio activo y es por ello que se caracteriza el tipo de batería. Otros tipos de sistemas electroquímicos de iones de litio también se reducen de manera similar a una forma corta. Esta sección enumera los seis tipos más comunes de Li-ion.

1. Batería de litio y cobalto (LiCoO2)

La alta densidad de energía hace que las baterías de litio y cobalto sean una opción popular para teléfonos móviles, portátiles y cámaras digitales. La batería consta de un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto. El cátodo tiene una estructura en capas y durante la descarga, los iones de litio se mueven hacia él desde el ánodo. Al cargar, la dirección cambia al contrario. Las desventajas de las baterías de litio-cobalto son su vida útil relativamente corta, su escasa estabilidad térmica y su capacidad de carga limitada (densidad de potencia). La Figura 1 muestra la estructura de dicha batería.

Figura 1: Estructura de una batería de litio y cobalto. Durante la descarga, los iones de litio pasan del ánodo al cátodo y durante la carga, del cátodo al ánodo.

Una batería de litio y cobalto no se puede cargar ni descargar con una corriente superior a su Clasificación C. Esto significa que una celda 18650 con una capacidad de 2400 mAh se puede cargar o descargar con una corriente de no más de 2400 mA. Forzar una carga rápida o conectar una carga que requiera más de 2400 mA provocará una tensión excesiva y un sobrecalentamiento. Para una carga rápida, los fabricantes recomiendan una clasificación C de 0,8 C o aproximadamente 2000 mA. Cuando se utiliza el sistema de protección de la batería, limita automáticamente la carga y descarga a un nivel seguro: aproximadamente 1C.

Figura 2: Clasificación promedio de la batería de litio y cobalto. El sistema electroquímico de litio-cobalto tiene una alta densidad de energía, pero ofrece una densidad de potencia, seguridad y vida útil promedio.

Tabla de características

Cobaltita de litio: cátodo LiCoO2 (~60% cobalto), ánodo de grafito Abreviatura: LCO o Li-cobalto Desarrollado en 1991
Voltaje	3,60 V nominales; rango de funcionamiento estándar: 3,0-4,2 V
Intensidad energética específica	150-200 Wh/kg; Los modelos especializados proporcionan hasta 240 Wh/kg.
Carga de clasificación C	0,7-1C, voltaje de carga 4,20 V (la mayoría de los modelos); El proceso de carga suele tardar 3 horas; Cargar con una corriente superior a 1C reduce la duración de la batería
Categoría de ranking C	1C; cuando la tensión es inferior a 2,50 V, se activa el interruptor de corte; La corriente de descarga superior a 1C reduce la duración de la batería
	500-1000, depende de la profundidad de descarga, carga, temperatura
Ruptura térmica	Normalmente a 150°C. La carga completa promueve la fuga térmica
Áreas de uso	Teléfonos móviles, tablets, portátiles, cámaras.
Un comentario	Intensidad energética específica muy alta, potencia específica limitada. Alto costo del cobalto. Sirve en áreas donde se requiere gran capacidad. Tiene una demanda estable en el mercado.

Tabla 3: Características de la batería de litio y cobalto.

2. Batería de litio manganeso (LiMn2O4)

El diseño de una batería de iones de litio de espinela y manganeso se publicó por primera vez en la revista Materials Research Bulletin en 1983. En 1996, Moli Energy comercializó una celda de iones de litio con espinela de litio y manganeso como material catódico. La estructura de espinela 3D mejora el flujo de iones en el electrodo, lo que resulta en una resistencia interna reducida y un mejor manejo de la corriente. Otra ventaja de la espinela es su alta estabilidad térmica, pero la vida útil y el número de ciclos son limitados.

La baja resistencia interna de dicha celda garantiza una carga rápida y una posible corriente de descarga alta. En el tamaño 18650, la batería de litio y manganeso se puede descargar con una corriente de 20 a 30 A con una generación moderada de calor. Además, es capaz de soportar pulsos de hasta 50 A durante uno o dos segundos. Una carga continua de 50 A provocará un calentamiento de la batería, que no debe superar los 80 °C para evitar su degradación. Las baterías de litio-manganeso se utilizan en herramientas de alta potencia, equipos médicos y vehículos híbridos y eléctricos.

La Figura 4 proporciona una ilustración gráfica de la estructura cristalina tridimensional del material del cátodo. Este material es la espinela, en la que la estructura reticular inicial en forma de diamante se transforma en tridimensional.

Figura 4: Estructura de la batería de litio manganeso. El cátodo cristalino de espinela de litio y manganeso tiene una estructura estructural tridimensional que aparece después de la formación inicial. La espinela proporciona baja resistencia pero tiene una densidad energética más moderada que el cobalto.

La capacidad de una batería de litio-manganeso es aproximadamente un tercio menor que la de una batería de litio-cobalto. La flexibilidad del diseño le permite optimizar la batería para diferentes tareas y crear modelos con mayor durabilidad, potencia específica o intensidad energética específica. Por ejemplo, la versión 18650 con potencias mejoradas tiene una capacidad de sólo 1100 mAh, mientras que la optimizada para la capacidad tiene 1500 mAh.

La Figura 5 muestra un diagrama hexagonal de una batería de litio y manganeso típica. Puede que el rendimiento no parezca particularmente impresionante, pero los últimos diseños han mejorado la densidad de potencia, la seguridad y la esperanza de vida.

Figura 5: Características de una batería de litio manganeso convencional. A pesar de un rendimiento general moderado, los nuevos modelos demuestran una mayor densidad de potencia, seguridad y longevidad.

La mayoría de las baterías de litio y manganeso se combinan con baterías de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) para mejorar la densidad de energía y prolongar la vida útil. Esta unión aprovecha los puntos fuertes de ambos sistemas y se denomina LMO (NMC). Son estas baterías combinadas las que se utilizan en la mayoría de los vehículos eléctricos, como el Nissan Leaf, el Chevy Volt y el BMW i3. La parte LMO de dicha batería, que representa aproximadamente el 30%, proporciona una alta capacidad de aceleración del motor eléctrico, y la parte NMC es responsable de la autonomía.

La investigación en el sistema de iones de litio se ha inclinado en gran medida hacia la combinación de celdas de litio-manganeso con celdas de níquel-manganeso-cobalto. Estos tres metales activos se pueden combinar fácilmente para lograr el resultado deseado, ya sea aumentar la densidad de potencia, las características de carga o la duración de la batería. Esta amplia gama de capacidades es necesaria para cumplir con el enfoque tecnológico unificado y el mercado de baterías de consumo, donde la capacidad es lo primero; y la industria, donde se necesitan sistemas de baterías con buenas características de carga, larga vida útil y funcionamiento seguro y fiable.

Tabla de características

Espinela de litio y manganeso: cátodo LiMn2O4, ánodo de grafito Abreviatura: LNO o Li-manganeso (estructura de espinela) Desarrollado en 1996
Voltaje	3,70 V (3,80 V) nominales; rango de funcionamiento estándar: 3,0-4,2 V
Intensidad energética específica	100-150 W*h/kg
Carga de clasificación C	Estándar 0,7-1C; 3C máximo; Carga hasta 4,20 V (la mayoría de las baterías)
Categoría de ranking C	Estándar 1C; hay modelos con 10C; modo de funcionamiento por impulsos (hasta 5 segundos) - 50 ° C; a 2,50 V se activa el interruptor de corte
Número de ciclos de carga/descarga	300-700 (dependiendo de la profundidad de descarga y la temperatura)
Ruptura térmica	Normalmente a 250°C. La carga completa promueve la fuga térmica
Áreas de uso	Herramientas eléctricas, equipos médicos, unidades de energía eléctrica.
Un comentario	Alta potencia pero capacidad moderada; más seguro que el litio-cobalto; generalmente se usa junto con NMC

Tabla 6: Especificaciones de la batería de litio manganeso.

3. Batería de óxido de cobalto, manganeso y níquel de litio (LiNiMnCoO2 o NMC)

Uno de los diseños más exitosos del sistema electroquímico de iones de litio es la combinación de níquel, manganeso y cobalto (NMC) en el cátodo. Al igual que los sistemas de litio y manganeso, estos sistemas se pueden optimizar en cuanto a capacidad o potencia. Por ejemplo, una batería NMC de 18650 celdas para carga moderada tiene una capacidad de 2800 mAh y puede proporcionar una corriente de 4-5 A; y la versión del mismo tamaño estándar, pero optimizada para indicadores de potencia, tiene una capacidad de solo 2000 mAh, pero su corriente de descarga máxima es de 20 A. El indicador de capacidad se puede aumentar a 4000 mAh si se agrega silicio al ánodo. Pero esto reducirá significativamente las características de carga y la durabilidad de dicha batería. Estas propiedades ambiguas del silicio surgen debido a su expansión y contracción durante la carga y descarga, lo que conduce a la inestabilidad mecánica del diseño de la batería.

El secreto de la tecnología NMC es la combinación de níquel y manganeso. Una analogía puede ser la sal de mesa común, donde individualmente sus componentes, sodio y cloro, son muy tóxicos, pero su combinación forma una sustancia nutricional útil. El níquel es conocido por su alta densidad energética pero su baja estabilidad; El manganeso tiene la ventaja de una estructura de espinela, que proporciona una baja resistencia interna, pero también conlleva una desventaja: una baja intensidad energética específica. La combinación de estos metales les permite compensar las deficiencias de cada uno y aprovechar al máximo las fortalezas de cada uno.

Las baterías NMC se utilizan para herramientas pesadas, bicicletas eléctricas y otras aplicaciones eléctricas. La composición del cátodo, por regla general, combina níquel, manganeso y cobalto en partes iguales, es decir, cada metal ocupa un tercio del volumen total. Esta distribución también se conoce como 1-1-1. La combinación en esta proporción es ventajosa debido a su coste, ya que el contenido de cobalto, que es caro, es relativamente pequeño en comparación con otras versiones de la batería. Otra combinación exitosa de NMC contiene 5 partes de níquel, 3 partes de cobalto y 2 partes de manganeso. Todavía se están realizando experimentos para encontrar combinaciones exitosas de estas sustancias activas. La figura 7 muestra las características de la batería NMC.

Figura 7: Evaluación del rendimiento de la batería NMC. NMC tiene un buen rendimiento general y una excelente densidad de energía. Esta batería es la opción preferida para los vehículos eléctricos y tiene el nivel de autocalentamiento más bajo.

Recientemente, es la familia NMC de baterías de iones de litio la que se ha vuelto más popular, ya que gracias a la posibilidad de combinar sustancias activas, fue posible construir una batería económica con buen rendimiento. El níquel, el manganeso y el cobalto se pueden mezclar fácilmente para cumplir con una amplia gama de requisitos para vehículos eléctricos o sistemas de almacenamiento de energía que requieren ciclos regulares. La familia de baterías NMC se está desarrollando activamente en su diversidad.

Tabla de características

Óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto: cátodo LiNiMnCoO2, ánodo de grafito Abreviatura: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN similar a una combinación de metales) Desarrollado en 2008
Voltaje	3,60-3,70 V nominales; rango de funcionamiento estándar: 3,0-4,2 V por celda o superior
Intensidad energética específica	150-220 W*h/kg
Carga de clasificación C	0,7-1C, cargando hasta 4,20 V, en algunos modelos hasta 4,30 V; El proceso de carga suele tardar 3 horas; Cargar con una corriente superior a 1C reduce la duración de la batería
Categoría de ranking C	1C; algunos modelos admiten 2C; a 2,50 V se activa el interruptor de corte
Número de ciclos de carga/descarga
Ruptura térmica	Normalmente a 210°C. La carga completa promueve la fuga térmica
Áreas de uso	Bicicletas eléctricas, equipamiento médico, vehículos eléctricos, industria.
Un comentario	Proporcionar alta capacidad y potencia. Amplia gama de aplicaciones prácticas, la cuota de mercado está creciendo rápidamente.

Tabla 8: Características de la batería de óxido de cobalto, manganeso, níquel y litio (NMC).

4. Batería de fosfato de hierro y litio (LiFePO4)

En 1996, se llevó a cabo una investigación en la Universidad de Texas, como resultado de lo cual se descubrió un nuevo material para el cátodo. batería de iones de litio- fosfato de hierro. El sistema de fosfato de litio tiene buenas propiedades electroquímicas y baja resistencia interna. Las principales ventajas de este tipo de baterías son los altos niveles de corriente y una larga vida útil, además, tienen buena estabilidad térmica, mayor seguridad y resistencia al mal uso.

Las baterías de fosfato de litio son más resistentes a la sobrecarga; Si se les aplica alto voltaje durante un tiempo prolongado, las consecuencias de la degradación serán notablemente menores en comparación con otras baterías de iones de litio. Pero el voltaje de la celda de 3,20 V reduce la densidad de energía específica a un nivel incluso menor que el de una batería de litio-manganeso. Para la mayoría de las baterías eléctricas, las temperaturas frías reducen el rendimiento y las temperaturas altas acortan la vida útil, y el sistema de fosfato de litio no es una excepción. También tiene una tasa de autodescarga más alta que otras baterías de iones de litio. La Figura 9 muestra las características de una batería de fosfato de litio.

Las baterías de fosfato de litio se utilizan a menudo como reemplazo de las baterías de arranque de plomo-ácido. Cuatro celdas de dicha batería proporcionarán un voltaje de 12,8 V, similar al voltaje de seis celdas de plomo-ácido de dos voltios. El alternador del vehículo recarga la batería de plomo-ácido a 14,40 V (2,40 V por celda). Para cuatro pilas de fosfato de litio, la tensión límite será de 3,60V, tras lo cual se deberá desconectar la recarga, lo que no ocurre en un vehículo normal. Las baterías de fosfato de litio son resistentes a la sobrecarga, pero incluso ellas se degradan cuando se mantienen a alto voltaje durante mucho tiempo. Las bajas temperaturas también pueden ser un problema cuando se utiliza una batería de fosfato de litio como reemplazo de una batería de arranque normal.

Figura 9: Evaluación del rendimiento de la batería de fosfato de litio. El sistema electroquímico de fosfato de litio proporciona una excelente seguridad y una larga vida útil, pero la intensidad energética específica es moderada y también cabe destacar la alta autodescarga.

Tabla de características

Ferrofosfato de litio: cátodo LiFePO4, ánodo de grafito Abreviatura: LFP o Li-fosfato
Voltaje	3,20, 3,30 V nominales; rango de funcionamiento estándar: 2,5-3,65 V por celda
Intensidad energética específica	90-120 W*h/kg
Carga de clasificación C	Estándar 1C, cargando hasta 3,65 V; El proceso de carga suele tardar 3 horas
Categoría de ranking C	1C; en algunas versiones hasta 25C; Corrientes de pulso de 40 A (hasta 2 segundos); a 2,50 V se activa el corte (una tensión inferior a 2 V es perjudicial)
Número de ciclos de carga/descarga	1000-2000 (dependiendo de la profundidad de descarga y la temperatura)
Ruptura térmica	270°C. Seguro incluso cuando está completamente cargado
Áreas de uso	Aplicaciones portátiles y estacionarias donde se requieren altas corrientes de carga y resistencia.