Batería de iones de litio. Tipos de baterías de litio modernas

Baterías de iones de litio y polímeros de litio

El pensamiento de la ingeniería está en constante evolución: está estimulado por problemas que surgen constantemente y que requieren el desarrollo de nuevas tecnologías para ser resueltos. Hubo un tiempo en que las baterías de níquel-cadmio (NiCd) fueron reemplazadas por hidruro metálico de níquel (NiMH), y ahora las baterías de iones de litio (Li-ion) están tratando de reemplazar a las baterías de iones de litio (Li-ion). Las baterías de NiMH han reemplazado hasta cierto punto a las de NiCd, pero debido a las innegables ventajas de este último, como la capacidad de entregar alta corriente, bajo costo y larga vida útil, no pudieron reemplazarlas por completo. Pero ¿qué pasa con las baterías de litio? ¿Cuáles son sus características y en qué se diferencian las baterías Li-pol de las Li-ion? Intentemos comprender este problema.

Como regla general, al comprar un teléfono móvil o una computadora portátil, no todos pensamos en el tipo de batería que contiene y en qué se diferencian estos dispositivos en general. Y sólo entonces, habiendo encontrado en la práctica las cualidades de consumo de determinadas baterías, comenzamos a analizar y elegir. Para aquellos que tienen prisa y quieren obtener una respuesta inmediata a la pregunta de qué batería es óptima para un teléfono celular, les responderé brevemente: Li-ion. La siguiente información está destinada a los curiosos.

Primero, una breve excursión a la historia.

Los primeros experimentos para crear baterías de litio comenzaron en 1912, pero sólo seis décadas después, a principios de los años 70, se introdujeron por primera vez en los dispositivos domésticos. Además, permítanme enfatizar que eran solo baterías. Los intentos posteriores de desarrollar baterías de litio (baterías recargables) fracasaron por motivos de seguridad. El litio, el más ligero de todos los metales, tiene el mayor potencial electroquímico y proporciona la mayor densidad de energía. Las baterías que utilizan electrodos de metal de litio ofrecen alto voltaje y una capacidad excelente. Pero como resultado de numerosos estudios realizados en los años 80, se encontró que el funcionamiento cíclico (carga - descarga) de las baterías de litio provoca cambios en el electrodo de litio, como resultado de lo cual disminuye la estabilidad térmica y existe una amenaza de deterioro del estado térmico. descontrolarse. Cuando esto sucede, la temperatura del elemento se acerca rápidamente al punto de fusión del litio y comienza una reacción violenta que enciende los gases liberados. Por ejemplo, un gran número de baterías de litio para teléfonos móviles enviadas a Japón en 1991 fueron retiradas del mercado después de varios incidentes de incendio.

Debido a la inestabilidad inherente del litio, los investigadores han centrado su atención en las baterías de litio no metálicas basadas en iones de litio. Habiendo perdido un poco de densidad de energía y tomando algunas precauciones al cargar y descargar, recibieron las llamadas baterías de iones de litio, más seguras.

La densidad energética de las baterías de iones de litio suele ser el doble que la de las de NiCd estándar y en el futuro, gracias al uso de nuevos materiales activos, se espera aumentarla aún más y lograr una superioridad tres veces superior a la de NiCd. Además de su gran capacidad, las baterías de iones de litio se comportan de manera similar a las de NiCd cuando se descargan (sus características de descarga son similares en forma y solo difieren en el voltaje).

Hoy en día existen muchas variedades de baterías de iones de litio y se puede hablar durante mucho tiempo sobre las ventajas y desventajas de un tipo u otro, pero es imposible distinguirlas por su apariencia. Por lo tanto, señalaremos solo las ventajas y desventajas que son características de todos los tipos de estos dispositivos y consideraremos las razones que llevaron al nacimiento de las baterías de polímero de litio.

Principales ventajas.

• Alta densidad de energía y, como resultado, gran capacidad con las mismas dimensiones que las baterías a base de níquel.
• Baja autodescarga.
• Alto voltaje por celda (3,6 V frente a 1,2 V para NiCd y NiMH), lo que simplifica el diseño; a menudo la batería consta de una sola celda. Hoy en día, muchos fabricantes utilizan una batería de una sola celda en sus teléfonos móviles (recuerde Nokia). Sin embargo, para proporcionar la misma potencia, se debe suministrar una corriente mayor. Y esto requiere garantizar una baja resistencia interna del elemento.
• Los bajos costos de mantenimiento (operativos) resultan de la ausencia del efecto memoria, que requiere ciclos de descarga periódicos para restaurar la capacidad.

Defectos.

La tecnología de fabricación de baterías de iones de litio mejora constantemente. Se actualiza aproximadamente cada seis meses y es difícil entender cómo se "comportan" las baterías nuevas después de un almacenamiento prolongado.

En una palabra, una batería de iones de litio sería buena para todos si no fuera por los problemas para garantizar la seguridad de su funcionamiento y su alto costo. Los intentos de resolver estos problemas llevaron a la aparición de baterías de polímero de litio (Li-pol o Li-polímero).

Su principal diferencia con el Li-ion se refleja en el nombre y radica en el tipo de electrolito utilizado. Inicialmente, en los años 70, se utilizaba un electrolito polimérico sólido seco, similar a una película plástica y que no conducía la electricidad, pero permitía el intercambio de iones (átomos o grupos de átomos cargados eléctricamente). El electrolito polimérico reemplaza eficazmente al separador poroso tradicional impregnado de electrolito.

Este diseño simplifica el proceso de producción, es más seguro y permite la producción de baterías delgadas y de forma libre. Además, la ausencia de electrolito líquido o gel elimina la posibilidad de ignición. El grosor del elemento es de aproximadamente un milímetro, por lo que los desarrolladores del equipo tienen libertad para elegir la forma, la forma y el tamaño, incluso incluyendo su implementación en fragmentos de ropa.

Pero hasta ahora, lamentablemente, las baterías secas de polímero de litio tienen una conductividad eléctrica insuficiente a temperatura ambiente. Su resistencia interna es demasiado alta y no puede proporcionar la cantidad de corriente necesaria para las comunicaciones modernas y el suministro de energía a los discos duros de las computadoras portátiles. Al mismo tiempo, cuando se calienta a 60 °C o más, la conductividad eléctrica del polímero de litio aumenta a un nivel aceptable, pero esto no es adecuado para uso masivo.

Los investigadores continúan desarrollando baterías de polímero de litio con un electrolito sólido seco que funciona a temperatura ambiente. Se espera que dichas baterías estén disponibles comercialmente en 2005. Serán estables, permitirán 1000 ciclos completos de carga-descarga y tendrán una mayor densidad de energía que las baterías de iones de litio actuales.

Mientras tanto, algunos tipos de baterías de polímero de litio se utilizan ahora como fuentes de alimentación de respaldo en climas cálidos. Por ejemplo, algunos fabricantes instalan específicamente elementos calefactores que mantienen una temperatura favorable para la batería.

Te preguntarás: ¿cómo puede ser esto? Las baterías de polímero de litio se venden ampliamente en el mercado, los fabricantes las equipan en teléfonos y computadoras, pero aquí decimos que aún no están listas para su uso comercial. Es muy sencillo. En este caso estamos hablando de baterías que no tienen electrolito sólido seco. Para aumentar la conductividad eléctrica de las pequeñas baterías de polímero de litio, se les añade una cierta cantidad de electrolito en forma de gel. Y la mayoría de las baterías de polímero de litio que se utilizan hoy en día en los teléfonos móviles son en realidad híbridas porque contienen un electrolito similar a un gel. Sería más correcto llamarlos polímeros de iones de litio. Pero la mayoría de los fabricantes simplemente los etiquetan como polímero de litio con fines publicitarios. Detengámonos con más detalle en este tipo de baterías de polímero de litio, ya que actualmente son las de mayor interés.

Entonces, ¿cuál es la diferencia entre una batería de iones de litio y una de polímero de litio a la que se le ha añadido electrolito de gel? Aunque las características y la eficiencia de ambos sistemas son muy similares, la singularidad de la batería de polímero de iones de litio (se puede llamar así) es que todavía utiliza un electrolito sólido, reemplazando un separador poroso. El electrolito en gel se agrega solo para aumentar la conductividad iónica.

Las dificultades técnicas y los retrasos en el aumento de la producción han retrasado la introducción de baterías de polímero de iones de litio. Según algunos expertos, esto se debe al deseo de los inversores que han invertido mucho dinero en el desarrollo y la producción en masa de baterías de iones de litio de recuperar sus inversiones. Por lo tanto, no tienen prisa por cambiar a nuevas tecnologías, aunque con la producción en masa, las baterías de polímero de iones de litio serán más baratas que las de iones de litio.

Y ahora sobre las características del funcionamiento de baterías de iones de litio y de polímero de litio.

Sus principales características son muy similares. La carga de baterías de iones de litio se describe con suficiente detalle en el artículo. Además, solo daré un gráfico (Fig. 1) que ilustra las etapas de carga y pequeñas explicaciones al mismo.

El tiempo de carga de todas las baterías de iones de litio con una corriente de carga inicial de 1C (numéricamente igual al valor nominal de la capacidad de la batería) es de 3 horas en promedio. La carga completa se logra cuando el voltaje de la batería es igual al umbral superior y cuando la corriente de carga se reduce a un nivel aproximadamente igual al 3% del valor inicial. La batería permanece fría durante la carga. Como puede verse en el gráfico, el proceso de carga consta de dos etapas. En el primero (un poco más de una hora), el voltaje aumenta a una corriente de carga inicial casi constante de 1C hasta que se alcanza por primera vez el umbral de voltaje superior. En este punto, la batería está cargada aproximadamente al 70% de su capacidad. Al comienzo de la segunda etapa, el voltaje permanece casi constante y la corriente disminuye hasta alcanzar el 3% anterior. Después de esto, la carga se detiene por completo.

Si necesita mantener la batería cargada todo el tiempo, se recomienda recargarla después de 500 horas o 20 días. Suele realizarse cuando la tensión en los terminales de la batería disminuye a 4,05 V y se detiene cuando alcanza los 4,2 V.

Algunas palabras sobre el rango de temperatura durante la carga. La mayoría de los tipos de baterías de iones de litio se pueden cargar con una corriente de 1 C a temperaturas de 5 a 45  °C. A temperaturas de 0 a 5  °C, se recomienda cargar con una corriente de 0,1 C. Está prohibido cargar a temperaturas bajo cero. La temperatura óptima para la carga es de 15 a 25  °C.

Los procesos de carga en las baterías de polímero de litio son casi idénticos a los descritos anteriormente, por lo que el consumidor no necesita saber cuál de los dos tipos de baterías tiene en sus manos. Y todos esos cargadores que usó para baterías de iones de litio son adecuados para polímeros de litio.

Y ahora sobre las condiciones de alta. Normalmente, las baterías de iones de litio se descargan a un valor de 3,0 V por celda, aunque para algunas variedades el umbral inferior es de 2,5 V. Los fabricantes de equipos que funcionan con baterías suelen diseñar dispositivos con un umbral de apagado de 3,0 V (para todas las ocasiones). ¿Qué quiere decir esto? El voltaje de la batería disminuye gradualmente cuando se enciende el teléfono y, tan pronto como alcanza los 3,0 V, el dispositivo le avisará y se apagará. Sin embargo, esto no significa en absoluto que haya dejado de consumir energía de la batería. Se requiere energía, aunque pequeña, para detectar cuándo se presiona la tecla de encendido del teléfono y algunas otras funciones. Además, la energía es consumida por su propio circuito interno de control y protección, y la autodescarga, aunque pequeña, sigue siendo típica incluso de las baterías de litio. Como resultado, si las baterías de litio se dejan sin recargar durante un largo período de tiempo, su voltaje caerá por debajo de 2,5 V, lo cual es muy malo. En este caso, el circuito interno de control y protección puede estar desactivado y no todos los cargadores podrán cargar dichas baterías. Además, la descarga profunda afecta negativamente a la estructura interna de la propia batería. Una batería completamente descargada debe cargarse en la primera etapa con una corriente de sólo 0,1C. En resumen, a las baterías les gusta estar cargadas en lugar de descargadas.

Algunas palabras sobre las condiciones de temperatura durante la descarga (leer durante la operación).

En general, las baterías de iones de litio funcionan mejor a temperatura ambiente. Operar en condiciones más cálidas reducirá seriamente su vida útil. Aunque, por ejemplo, una batería de plomo-ácido tiene la mayor capacidad a temperaturas superiores a 30  °C, el funcionamiento prolongado en tales condiciones acorta la vida útil de la batería. Asimismo, el Li-ion funciona mejor a altas temperaturas, lo que inicialmente contrarresta el aumento de la resistencia interna de la batería que resulta del envejecimiento. Pero el aumento de la producción de energía es de corta duración, ya que el aumento de las temperaturas, a su vez, promueve un envejecimiento acelerado, acompañado de un mayor aumento de la resistencia interna.

Las únicas excepciones por el momento son las baterías de polímero de litio con electrolito de polímero sólido seco. Requieren una temperatura vital de 60 °C a 100 °C. Y dichas baterías han encontrado su nicho en el mercado de fuentes de respaldo en climas cálidos. Se colocan en una carcasa aislada térmicamente con elementos calefactores incorporados alimentados desde una red externa. Se considera que las baterías de polímero de iones de litio como respaldo son superiores en capacidad y durabilidad a las baterías VRLA, especialmente en condiciones de campo donde no es posible el control de la temperatura. Pero su elevado precio sigue siendo un factor limitante.

A bajas temperaturas, la eficiencia de las baterías de todos los sistemas electroquímicos cae drásticamente. Mientras que las baterías de NiMH, SLA y Li-ion dejan de funcionar a -20°C, las baterías de NiCd siguen funcionando hasta -40°C. Permítanme señalar que nuevamente estamos hablando solo de baterías de uso generalizado.

Es importante recordar que si bien una batería puede funcionar a bajas temperaturas, esto no significa que también pueda cargarse en estas condiciones. La capacidad de respuesta de carga de la mayoría de las baterías a temperaturas muy bajas es extremadamente limitada y la corriente de carga en estos casos debe reducirse a 0,1 C.

En conclusión, me gustaría señalar que puede hacer preguntas y discutir problemas relacionados con Li-ion, Li-polymer, así como otros tipos de baterías, en el foro del subforo de accesorios.

Al escribir este artículo se utilizaron materiales [—Baterías para dispositivos móviles y computadoras portátiles. Analizadores de baterías.

Las baterías de iones de litio no son tan delicadas como sus contrapartes de hidruro metálico de níquel, pero aun así requieren cierto cuidado. apegarse a cinco reglas simples, no solo puede extender el ciclo de vida de las baterías de iones de litio, sino también aumentar el tiempo de funcionamiento de los dispositivos móviles sin recargar.

No permita la descarga completa. Las baterías de iones de litio no tienen el llamado efecto memoria, por lo que pueden y, además, deben cargarse sin esperar a que se descarguen a cero. Muchos fabricantes calculan la vida útil de una batería de iones de litio por el número de ciclos de descarga completos (hasta 0%). Para baterías de calidad esto 400-600 ciclos. Para prolongar la vida útil de su batería de iones de litio, cargue su teléfono con más frecuencia. De manera óptima, tan pronto como la carga de la batería caiga por debajo del 10-20 por ciento, puede cargar el teléfono. Esto aumentará el número de ciclos de descarga para 1000-1100 .
Los expertos describen este proceso con un indicador como Profundidad de descarga. Si su teléfono está descargado al 20%, entonces la profundidad de descarga es del 80%. La siguiente tabla muestra la dependencia del número de ciclos de descarga de una batería de iones de litio de la profundidad de descarga:

Alta una vez cada 3 meses. Cargar completamente durante mucho tiempo es tan perjudicial para las baterías de iones de litio como descargarlas constantemente a cero.
Debido al proceso de carga extremadamente inestable (a menudo cargamos el teléfono según sea necesario y, siempre que sea posible, desde USB, desde un enchufe, desde una batería externa, etc.), los expertos recomiendan descargar completamente la batería una vez cada 3 meses y luego cargarla. al 100% y manteniéndolo en carga de 8 a 12 horas. Esto ayuda a restablecer los llamados indicadores de batería alta y baja. Puedes leer más sobre esto.

Tienda parcialmente cargada. La condición óptima para el almacenamiento a largo plazo de una batería de iones de litio es entre un 30 y un 50 por ciento de carga a 15°C. Si deja la batería completamente cargada, su capacidad disminuirá significativamente con el tiempo. Pero la batería, que ha estado acumulando polvo en un estante durante mucho tiempo, descargada a cero, probablemente ya no esté viva; es hora de enviarla a reciclar.
La siguiente tabla muestra cuánta capacidad queda en una batería de iones de litio según la temperatura de almacenamiento y el nivel de carga cuando se almacena durante 1 año.

Utilice el cargador original. Pocas personas saben que en la mayoría de los casos el cargador está integrado directamente en los dispositivos móviles, y el adaptador de red externo solo baja el voltaje y rectifica la corriente de la red eléctrica doméstica, es decir, no afecta directamente a la batería. Algunos dispositivos, como las cámaras digitales, no tienen un cargador incorporado y, por lo tanto, sus baterías de iones de litio se insertan en un "cargador" externo. Aquí es donde utilizar un cargador externo de dudosa calidad en lugar del original puede afectar negativamente al rendimiento de la batería.

Evite el sobrecalentamiento. Bueno, el peor enemigo de las baterías de iones de litio es la alta temperatura: no toleran en absoluto el sobrecalentamiento. Por lo tanto, no exponga sus dispositivos móviles a la luz solar directa ni los coloque cerca de fuentes de calor como calentadores eléctricos. Temperaturas máximas permitidas a las que se pueden utilizar baterías de iones de litio: de –40°C a +50°C

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Hoy en día, las baterías de iones de litio se utilizan con mayor frecuencia en diversos campos. Se utilizan especialmente en electrónica móvil (PDA, teléfonos móviles, ordenadores portátiles y mucho más), vehículos eléctricos, etc. Esto se debe a sus ventajas sobre las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) e hidruro metálico de níquel (Ni-MH) utilizadas anteriormente. Y si estas últimas se han acercado a su límite teórico, entonces la tecnología de baterías de iones de litio se encuentra en el comienzo de su viaje.

Dispositivo

En las baterías de iones de litio, el aluminio actúa como electrodo negativo (cátodo) y el cobre actúa como electrodo positivo (ánodo). Los electrodos se pueden fabricar en diferentes formas, pero por regla general son láminas con forma de paquete oblongo o cilindro.

• El material anódico de la lámina de cobre y el material catódico de la lámina de aluminio se separan mediante un separador poroso impregnado con un electrolito.
• El paquete de electrodos se instala en una carcasa sellada y los ánodos y cátodos se conectan a los terminales del colector de corriente.
• Es posible que haya dispositivos especiales debajo de la tapa de la batería. Un dispositivo responde aumentando la resistencia a un coeficiente de temperatura positivo. El segundo dispositivo rompe la conexión eléctrica entre el terminal positivo y el cátodo cuando la presión del gas en la batería aumenta por encima del límite permitido. En algunos casos, la carcasa está equipada con una válvula de seguridad que alivia la presión interna en caso de violaciones de las condiciones de operación o situaciones de emergencia.
• Para aumentar la seguridad operativa, algunas baterías también utilizan protección electrónica externa. Previene la posibilidad de calentamiento excesivo, cortocircuito y sobrecarga de la batería.
• Estructuralmente, las baterías se fabrican en versiones prismáticas y cilíndricas. Un paquete enrollado de separador y electrodos en baterías cilíndricas se coloca en una caja de aluminio o acero, a la que se conecta el electrodo negativo. El polo positivo de la batería sale a través del aislante hasta la tapa. Las baterías prismáticas se crean apilando placas rectangulares una encima de otra.

Estos tipos de baterías de iones de litio permiten un embalaje más ajustado, pero son más difíciles de mantener las fuerzas de compresión sobre los electrodos que las baterías cilíndricas. Varias baterías prismáticas utilizan un conjunto de rollo de un paquete de electrodos retorcidos en una espiral elíptica.

La mayoría de las baterías se fabrican en versiones prismáticas, ya que su principal finalidad es garantizar el funcionamiento de ordenadores portátiles y teléfonos móviles. El diseño de las baterías de iones de litio está completamente sellado. Este requisito viene dictado por la inadmisibilidad de fugas de electrolito líquido. Si entra vapor de agua u oxígeno, se produce una reacción con los materiales del electrolito y del electrodo, lo que provoca un fallo total de la batería.

Principio de funcionamiento

• Las baterías de iones de litio tienen dos electrodos en forma de ánodo y cátodo, con un electrolito entre ellos. En el ánodo, cuando se conecta una batería en un circuito cerrado, se forma una reacción química que conduce a la formación de electrones libres.
• Estos electrones tienden a llegar al cátodo, donde su concentración es menor. Sin embargo, lo que les impide pasar directamente del ánodo al cátodo es el electrolito, que se encuentra entre los electrodos. El único camino que queda es a través del circuito donde está cerrada la batería. En este caso, los electrones, que se mueven a lo largo del circuito especificado, suministran energía al dispositivo.
• Los iones de litio cargados positivamente, que quedaron abandonados por los electrones descontrolados, son conducidos al mismo tiempo a través del electrolito hacia el cátodo para satisfacer la demanda de electrones en el lado del cátodo.
• Después de que todos los electrones pasan al cátodo, se produce la "muerte" de la batería. Pero la batería de iones de litio es recargable, lo que significa que el proceso se puede revertir.

Con la ayuda de un cargador, puede introducir energía en el circuito, iniciando así la reacción en la dirección opuesta. El resultado será una acumulación de electrones en el ánodo. Una vez recargada la batería, permanecerá así en su mayor parte hasta que se active. Sin embargo, con el tiempo, la batería perderá parte de su carga incluso en el modo de espera.

• La capacidad de la batería se refiere a la cantidad de iones de litio que pueden incrustarse en los cráteres y pequeños poros del ánodo o cátodo. Con el tiempo, tras numerosas recargas, el cátodo y el ánodo se degradan. Como resultado, disminuye la cantidad de iones que pueden acomodar. En este caso, la batería ya no puede mantener la misma cantidad de carga. Al final pierde por completo sus funciones.

Las baterías de iones de litio están diseñadas de tal manera que es necesario controlar constantemente su carga. Para ello, se instala una placa especial en la carcasa, llamada controlador de carga. El chip de la placa controla el proceso de carga de la batería.

La carga de batería estándar tiene este aspecto:

• Al inicio del proceso de carga, el controlador suministra una corriente equivalente al 10% de la corriente nominal. En este momento el voltaje sube a 2,8 V.
• Entonces la corriente de carga aumenta a la nominal. Durante este período, el voltaje CC aumenta a 4,2 V.
• Al final del proceso de carga, la corriente cae a un voltaje constante de 4,2 V hasta que la batería está cargada al 100%.

La puesta en escena puede diferir debido al uso de diferentes controladores, lo que conduce a diferentes velocidades de carga y, en consecuencia, al costo total de la batería. Las baterías de iones de litio pueden ser sin protección, es decir, el controlador está ubicado en el cargador, o con protección incorporada, es decir, el controlador está ubicado dentro de la batería. Puede haber dispositivos en los que la placa de protección esté integrada directamente en la batería.

Variedades y aplicaciones.

Hay dos factores de forma de las baterías de iones de litio:

1. Baterías cilíndricas de iones de litio.
2. Baterías de iones de litio para tabletas.

Los diferentes subtipos del sistema electroquímico de iones de litio se denominan según el tipo de sustancia activa utilizada. Lo que todas estas baterías de iones de litio tienen en común es que son baterías selladas y libres de mantenimiento.

Existen 6 tipos más comunes de baterías de iones de litio:

1. Batería de litio y cobalto . Es una solución popular para cámaras digitales, portátiles y teléfonos móviles debido a su alto consumo energético específico. La batería consta de un cátodo de óxido de cobalto y un ánodo de grafito. Desventajas de las baterías de litio-cobalto: capacidad de carga limitada, mala estabilidad térmica y vida útil relativamente corta.

Aplicaciones ; electrónica móvil.

1. Batería de litio manganeso . El cátodo cristalino de espinela de litio y manganeso presenta una estructura estructural tridimensional. La espinela proporciona baja resistencia, pero tiene una densidad energética más moderada que el cobalto.

Áreas de aplicación; unidades de energía eléctrica, equipos médicos, herramientas eléctricas.

1. Batería de óxido de cobalto, manganeso y níquel de litio . El cátodo de la batería combina cobalto, manganeso y níquel. El níquel es famoso por su alta intensidad energética específica, pero su baja estabilidad. El manganeso proporciona una baja resistencia interna pero da como resultado una baja densidad de energía. La combinación de metales permite compensar sus desventajas y aprovechar sus fortalezas.

Áreas de aplicación; para uso privado e industrial (sistemas de seguridad, plantas de energía solar, iluminación de emergencia, telecomunicaciones, vehículos eléctricos, bicicletas eléctricas, etc.).

1. Batería de fosfato de hierro y litio . Sus principales ventajas son: larga vida útil, altas corrientes nominales, resistencia al mal uso, mayor seguridad y buena estabilidad térmica. Sin embargo, esta batería tiene una capacidad pequeña.

Áreas de aplicación: dispositivos especializados estacionarios y portátiles donde se requiere resistencia y altas corrientes de carga.

1. Batería de óxido de aluminio, cobalto, níquel y litio . Sus principales ventajas: alta densidad energética e intensidad energética, durabilidad. Sin embargo, su historial de seguridad y su alto costo limitan su uso.

Áreas de aplicación; sistemas de propulsión eléctricos, equipos industriales y médicos.

1. Batería de titanato de litio . Sus principales ventajas: carga rápida, larga vida útil, amplio rango de temperatura, excelente rendimiento y seguridad. Esta es la batería de iones de litio más segura disponible.

Sin embargo, tiene un coste elevado y una intensidad energética específica baja. Actualmente, se están llevando a cabo desarrollos para reducir el costo de producción y aumentar la intensidad energética específica.

Áreas de aplicación; de calle, unidades de energía eléctrica de automóviles (Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV), UPS.

Características típicas

En general, las baterías de iones de litio tienen las siguientes características típicas:

• El voltaje mínimo no es inferior a 2,2-2,5 V.
• El voltaje máximo no supera los 4,25-4,35 V.
• Tiempo de carga: 2-4 horas.
• La autodescarga a temperatura ambiente es aproximadamente del 7% anual.
• Rango de temperatura de funcionamiento de −20 °C a +60 °C.
• El número de ciclos de carga/descarga hasta lograr una pérdida del 20% de la capacidad es de 500 a 1000.

Ventajas y desventajas

Las ventajas incluyen:

• Alta densidad de energía en comparación con las pilas alcalinas que utilizan níquel.
• El voltaje de una celda de batería es bastante alto.
• No existe un "efecto memoria", lo que garantiza un funcionamiento sencillo.
• Un número importante de ciclos de carga-descarga.
• Larga vida útil.
• Amplio rango de temperatura para un rendimiento constante.
• Relativa seguridad ambiental.

Entre las desventajas se encuentran:

• Corriente de descarga moderada.
• Envejecimiento relativamente rápido.
• Costo relativamente alto.
• Imposibilidad de trabajar sin controlador incorporado.
• Posibilidad de combustión espontánea bajo cargas elevadas y descarga demasiado profunda.
• El diseño requiere mejoras importantes, porque no está perfeccionado.

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 en última instancia 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 antigua. 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 litio y dióxido de azufre con un ánodo de metal 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.

Li-MnO2 se usa 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.

El mercado de consumo de baterías de iones de litio (Li-ion) es enorme: alrededor de 10 mil millones de dólares, pero es bastante estable, con una tasa de crecimiento de sólo el 2% anual. ¿Qué pasa con los coches eléctricos? De hecho, en los próximos años, debido al desarrollo de los vehículos eléctricos, se prevé que la tasa de crecimiento anual de las baterías de iones de litio sea del 10%. Sorprendentemente, el área de mayor crecimiento para el mercado de baterías de iones de litio sigue siendo "todo lo demás", desde teléfonos móviles hasta montacargas.

"Otras" aplicaciones de baterías de iones de litio tienden a tener una cosa en común: son dispositivos que funcionan con baterías selladas de plomo-ácido (SLA). Las baterías de plomo-ácido han dominado el mercado de la electrónica durante casi 200 años, pero han sido reemplazadas por baterías de iones de litio desde hace varios años. Dado que en muchos casos las baterías de iones de litio han comenzado a reemplazar a las baterías de plomo-ácido (baterías), vale la pena comparar estos dos tipos de dispositivos de almacenamiento de energía, enfatizando las principales características técnicas y la viabilidad económica de usar Li-ion en lugar de los dispositivos SLA tradicionales. .

Historia del uso de baterías recargables.

La batería de plomo-ácido fue la primera batería recargable, desarrollada para uso comercial en la década de 1850. A pesar de su respetable antigüedad de más de 150 años, todavía se utilizan activamente en los dispositivos modernos. Además, se utilizan activamente en aplicaciones en las que parecería muy posible arreglárselas con tecnologías modernas. Algunos dispositivos comunes utilizan SKB de forma bastante activa, como los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), los carritos de golf o las carretillas elevadoras. Sorprendentemente, el mercado de baterías de plomo-ácido sigue creciendo para determinados nichos y proyectos.

La primera innovación bastante significativa en la tecnología de plomo-ácido se produjo en la década de 1970, cuando se inventaron los SKB sellados o los SKB sin mantenimiento. Esta modernización consistió en la aparición de válvulas especiales para purgar gases durante la carga/descarga de baterías. Además, el uso de un separador húmedo hizo posible operar la batería en posición inclinada sin fugas de electrolito.

SKB o inglés. Los SLA suelen clasificarse por tipo o aplicación. Actualmente, los dos tipos más comunes son el gel, también conocido como ácido de plomo regulado por válvula (VRLA) y la estera de vidrio absorbente AGM. Las baterías AGM se utilizan para UPS pequeños, iluminación de emergencia y aplicaciones de sillas de ruedas, mientras que las baterías VRLA están diseñadas para aplicaciones de formato más grande, como energía de respaldo para torres de retransmisión celular, concentradores de Internet y montacargas. Las baterías de plomo-ácido también se pueden clasificar según los siguientes criterios: automóvil (arranque o SLI - arranque, iluminación, encendido); tracción (tracción o ciclo profundo); estacionario (fuentes de alimentación ininterrumpidas). La principal desventaja de los SLA en todas estas aplicaciones es el ciclo de vida: si se descargan repetidamente, sufren graves daños.

Sorprendentemente, las baterías de plomo-ácido fueron los líderes indiscutibles del mercado de baterías durante muchas décadas, hasta la llegada de las baterías de iones de litio en la década de 1980. Una batería de iones de litio es una celda recargable en la que los iones de litio pasan de un electrodo negativo a un electrodo positivo durante la descarga y viceversa durante la carga. Las baterías de iones de litio utilizan compuestos de litio intercalados pero no contienen litio metálico, que se utiliza en las baterías desechables.

La batería de iones de litio se inventó por primera vez en la década de 1970. En la década de 1980, se lanzó al mercado la primera versión comercial de la batería con un cátodo de óxido de cobalto. Este tipo de dispositivo tenía capacidades de peso y capacidad significativamente mayores en comparación con los sistemas a base de níquel. Las nuevas baterías de iones de litio han impulsado un enorme crecimiento en el mercado de teléfonos móviles y portátiles. Inicialmente, debido a preocupaciones de seguridad, se introdujeron opciones más seguras que incluían aditivos a base de níquel y manganeso en el material del cátodo de óxido de cobalto, además de innovaciones en la construcción de celdas.

Las primeras celdas de iones de litio que se lanzaron al mercado estaban en latas rígidas de aluminio o acero y, por lo general, tenían solo unos pocos factores de forma, ya sea cilíndricos o prismáticos (en forma de ladrillo). Sin embargo, con la ampliación de la gama de aplicaciones de la tecnología de iones de litio, sus dimensiones generales comenzaron a cambiar.

Por ejemplo, se utilizan versiones menos costosas de tecnología más antigua en computadoras portátiles y teléfonos celulares. Las delgadas celdas de polímero de litio actuales se utilizan en teléfonos inteligentes, tabletas y dispositivos portátiles. Actualmente, las baterías de iones de litio se utilizan en herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas y otros dispositivos. Esta variación presagia un reemplazo completo de los dispositivos de plomo-ácido en cada vez más aplicaciones destinadas a mejorar el tamaño general y el rendimiento energético.

Características químicas

Los fundamentos de la química celular confieren a los dispositivos de plomo-ácido y de iones de litio propiedades específicas y distintos grados de funcionalidad. A continuación se detallan algunas de las ventajas de las baterías de plomo-ácido que las han convertido en un elemento básico durante décadas y las desventajas que ahora están llevando a su reemplazo, así como consideraciones similares para los dispositivos de iones de litio.

batería de plomo ácido

• SKB es sencillo, fiable y económico. Se puede utilizar en un amplio rango de temperaturas.
• Las baterías deben almacenarse en estado de carga (SoC) y no pueden cargarse rápidamente.
• Los SKB son pesados. Su densidad de energía gravimétrica es muy baja.
• El ciclo de vida suele ser de 200 a 300 descargas/cargas, lo cual es muy corto.
• La curva de carga/descarga permite mediciones de SOC con un control de voltaje simple.

batería de iones de litio

• Tienen la máxima densidad energética en términos de tamaño y peso.
• El ciclo de vida suele ser de entre 300 y 500, pero puede ser de miles en el caso de las células de fosfato de litio;
• El rango de temperatura de funcionamiento es muy pequeño;
• Hay disponibles varios tamaños de celda, formas y otras opciones;
• No requiere mantenimiento. El nivel de autodescarga es muy bajo.
• Se requiere la implementación de esquemas de seguridad operativa. Algoritmo de carga complejo.
• Las mediciones de SoC requieren soluciones complejas debido a la no linealidad de la curva de voltaje.

Electrónica

Es importante comprender la diferencia entre una batería y una batería recargable. La celda es el componente principal del paquete. Además, el paquete también incluye electrónica, conectores y carcasa. La figura anterior muestra ejemplos de estos dispositivos. Una batería de iones de litio debe tener, como mínimo, un circuito de control y protección de celda implementado, y el cargador y el sistema de detección de voltaje son mucho más complejos que los que se encuentran en los dispositivos de plomo-ácido.

Cuando se utilizan baterías de iones de litio y de plomo-ácido, las principales diferencias en la electrónica serán las siguientes:

Cargador

Cargar una batería de plomo-ácido es bastante sencillo siempre que se cumplan ciertos umbrales de voltaje. Las baterías de iones de litio utilizan un algoritmo más complejo, con la excepción de los paquetes a base de fosfato de hierro. El método de carga estándar para dichos dispositivos es el método de corriente constante/voltaje constante (CC/CV). Incluye un proceso de carga de dos pasos. En la primera etapa, la carga se produce con una corriente constante. Esto dura hasta que el voltaje en la celda alcanza un cierto umbral, después del cual el voltaje permanece constante y la corriente disminuye exponencialmente hasta alcanzar el valor de corte.

Recuento de cargas y comunicación.

Como se mencionó anteriormente, la carga del SCB se puede medir mediante mediciones simples de voltaje. Cuando se utilizan baterías de iones de litio, es necesario controlar el nivel de carga de las celdas, lo que requiere la implementación de complejos algoritmos y ciclos de aprendizaje.

I 2 C es el protocolo de comunicación más común y rentable utilizado en baterías de iones de litio, pero tiene limitaciones en términos de inmunidad al ruido, integridad de la señal a distancia y ancho de banda general. SMBus (System Management Bus), un derivado de I 2 C, es muy común en baterías más pequeñas, pero actualmente no tiene ningún soporte efectivo para paquetes más grandes o de alta potencia. CAN es ideal para entornos con mucho ruido o donde se requieren recorridos largos, como en muchas aplicaciones SKB, pero es bastante caro.

Reemplazos directos

Cabe destacar que actualmente existen varios formatos estándar de baterías de plomo-ácido. Por ejemplo, U1, un factor de forma estándar utilizado en aplicaciones de energía de respaldo de equipos médicos. La batería de fosfato de hierro y litio ha demostrado ser un sustituto bastante digno del plomo-ácido. El fosfato de hierro tiene un ciclo de vida excelente, buena conductividad de carga, seguridad mejorada y baja impedancia. Los voltajes de las baterías de fosfato de hierro y litio también se adaptan bien a los voltajes de las baterías de plomo ácido (12 V y 24 V), lo que permite utilizar los mismos cargadores. Los paquetes de software de monitoreo y mantenimiento de baterías incluyen funciones inteligentes como seguimiento de carga, contador de ciclos de carga/descarga y más.

Las baterías de fosfato de hierro y litio conservan el 100% de su capacidad durante el almacenamiento, a diferencia de las baterías SKB, que pierden capacidad durante varios meses de almacenamiento. La figura anterior compara los dos productos y los tipos de avances realizados en la transición de SKB a Li-ion.

Conclusiones

Hay muy pocas baterías que puedan almacenar tanta energía como las de plomo-ácido, lo que hace que este tipo de batería sea rentable para muchos dispositivos de alta potencia. La tecnología de iones de litio baja constantemente de precio, así como las constantes mejoras en sus estructuras químicas y sistemas de seguridad, lo que los convierte en un digno competidor de la tecnología de plomo-ácido. Los dispositivos para su uso pueden ser muy diferentes, desde dispositivos de suministro de energía ininterrumpida hasta vehículos eléctricos y drones.