Batería de polímero de litio
1. Introducción a las baterías de polímero de litio
Las baterías de iones de litio tienen muchas ventajas. Su alta densidad de energía y baja tasa de autodescarga les otorgan ciertas ventajas sobre otras baterías, pero aún enfrentan algunos problemas que pueden afectar su vida útil y seguridad.
Para abordar los problemas que pueden afectar el rendimiento de las baterías de iones de litio, recientemente han surgido las baterías de polímero de litio (Li-Polymer), como se muestra en la siguiente imagen.
Las baterías de polímero de litio son esencialmente baterías de iones de litio, pero lo que las distingue es que al menos uno de sus componentes principales, como el electrolito o la placa de electrodo, utiliza materiales poliméricos.
1.1 Características de las baterías de polímero de litio
En comparación con las baterías de iones de litio, las baterías de polímero de litio presentan las siguientes características:
(1) Mejora relativa en el problema de fugas de la batería, aunque no completamente resuelto.
(2) Pueden fabricarse como baterías delgadas, con un grosor de hasta 0.5 mm, para una capacidad de 3.6V y 250mAh.
(3) Permiten diversos diseños de forma para la batería.
(4) Capacidad de fabricar baterías de alto voltaje individuales. A diferencia de las baterías con electrolitos líquidos, que requieren conectar varias baterías en serie para lograr voltajes más altos, las baterías de polímero de litio, al no contener líquido, pueden apilarse en capas dentro de una sola celda para obtener voltajes elevados.
(5) Teóricamente, ofrecen una mayor capacidad de descarga que las baterías de iones de litio del mismo tamaño, aproximadamente un 10% más.
En las baterías de polímero de litio, el electrolito cumple una doble función como separador y como conductor iónico:
Por un lado, actúa como un separador, similar a una membrana, que aísla los materiales de los electrodos positivo y negativo, evitando la autodescarga y cortocircuitos dentro de la batería.
Por otro lado, funciona como un electrolito al permitir la conducción de iones de litio entre los electrodos positivo y negativo.
El electrolito de polímero no solo tiene una buena conductividad, sino que también posee características propias de los materiales poliméricos, como ligereza, elasticidad y facilidad para formar películas delgadas. Esto se alinea con la tendencia de desarrollo de fuentes de energía química que son livianas, compactas, seguras, eficientes y respetuosas con el medio ambiente.
1.2 Problemas de seguridad en las baterías de polímero de litio
Los problemas de seguridad en las baterías de polímero de litio son una preocupación constante tanto en las baterías anteriores como en las actuales. Estas baterías son extremadamente sensibles a eventos como cortocircuitos internos, cortocircuitos externos y sobre carga.
Esto se debe a la naturaleza química altamente reactiva del litio, que es propenso a la combustión.
Durante la carga y descarga de la batería, se produce un aumento continuo de la temperatura en su interior. Este proceso de activación genera gases que inflan la batería, aumentando la presión interna. Si la carcasa de la batería tiene algún daño o defecto, podría romperse, lo que podría provocar fugas, incendios e incluso explosiones.
Para mitigar o eliminar estos riesgos, los técnicos han incorporado elementos que suprimen la actividad del litio, como el cobalto, el manganeso y el hierro. Sin embargo, estos aditivos no eliminan por completo los riesgos inherentes a las baterías de polímero de litio.
1.3 Estructura de la batería de polímero de litio
La estructura de la batería de polímero de litio es bastante particular y consta de cinco capas.
- La primera capa utiliza una lámina metálica como electrodo colector,
- La segunda capa es el cátodo,
- La tercera capa es un electrolito sólido,
- La cuarta capa utiliza una lámina de aluminio como ánodo
- y la quinta capa es una capa aislante.
El grosor total de las cinco capas apiladas es de 0.1 mm.
Para prevenir el sobrecalentamiento causado por la salida instantánea de una corriente eléctrica elevada en la batería, las baterías de polímero de litio cuentan con un estricto sistema de gestión térmica que controla la temperatura de funcionamiento normal de la batería.
Una de las principales ventajas de las baterías de polímero de litio es la eliminación del electrolito líquido, lo que evita la contaminación causada por un posible derrame de electrolito en caso de fallo de la batería.
2. Principio de funcionamiento de la batería de polímero de litio.
En los tres elementos clave de una batería: el cátodo, el ánodo y el electrolito, al menos uno o más de estos elementos en las baterías de polímero de litio están hechos de materiales poliméricos.
En las baterías de polímero de litio, los materiales poliméricos se utilizan principalmente en el cátodo y el electrolito.
El cátodo utiliza un polímero conductor o compuestos inorgánicos comunes utilizados en las baterías de iones de litio convencionales.
El ánodo utiliza litio metálico o compuestos de litio-carbono.
El electrolito puede ser sólido o gelatinoso y se compone de polímeros o electrolitos orgánicos, lo que resulta en una mayor densidad de energía. Por ejemplo, la densidad de energía de las baterías de polianilina de litio puede alcanzar los 350 Wh/kg, pero la densidad de potencia es solo de 50-60 W/kg. Debido a la falta de exceso de electrolito en las baterías de polímero de litio, son más confiables y estables.
Actualmente, las baterías de iones de litio líquido comunes son propensas a explotar en caso de sobrecarga, lo que puede causar la ruptura de una válvula de seguridad y provocar incendios o explosiones, lo cual es extremadamente peligroso.
Por lo tanto, es necesario instalar circuitos de protección adicionales para asegurarse de que la batería no se sobrecargue.
En comparación, las baterías de polímero de litio de alto polímero tienen una mejor resistencia a la sobrecarga y pueden tener requisitos más flexibles en cuanto a los circuitos de protección externos.
Además, en cuanto a la carga, las baterías de polímero de litio pueden utilizar la carga con corriente constante controlada por un circuito integrado (IC), lo que reduce el tiempo de espera de carga en comparación con el método de “corriente constante-corriente constante” utilizado por las baterías de iones de litio.
Las baterías de polímero de litio de nueva generación han logrado un excelente grado de polimerización.
Por lo tanto, pueden ser extremadamente delgadas en términos de forma (hasta 0,5 mm de grosor) y pueden lograr una forma y área arbitrarias.
Esto aumenta en gran medida la flexibilidad en el diseño de la forma de la batería, lo que permite que se adapte a las necesidades del producto y se fabrique en cualquier forma y capacidad.
Al mismo tiempo, la unidad de energía de las baterías de polímero de litio ha aumentado en un 50% en comparación con las baterías de iones de litio convencionales.
Su capacidad, características de carga y descarga, seguridad, rango de temperatura de funcionamiento, vida útil y rendimiento ambiental han mejorado considerablemente en comparación con las baterías de iones de litio, lo que las ha convertido en la elección preferida de las personas.
3. Características de uso de las baterías de polímero de litio
(1) Las baterías de polímero de litio deben estar equipadas con una placa de protección correspondiente. Tienen funciones de protección contra la sobrecarga, la descarga excesiva, la corriente excesiva (o el sobre calentamiento) y la protección contra cortocircuitos en los polos positivo y negativo. Además, en el grupo de baterías, también hay funciones de corriente y voltaje constantes para garantizar la seguridad de uso de la batería.
(2) Las baterías de polímero de litio deben estar equipadas con un cargador correspondiente para garantizar que el voltaje de carga esté dentro del rango de 4,2 V ± 0,05 V. No use un cargador de batería de litio genérico para cargarlas.
(3) Evite la descarga profunda (descarga por debajo de 2,75 V).
La vida útil de la batería se mejora cuando se realiza una descarga poco profunda (descarga hasta 3 V) ya que estas baterías no tienen efecto memoria. Por lo tanto, es más adecuado utilizar una descarga poco profunda.
(4) No mezcle las baterías de polímero de litio con otros tipos de baterías o con baterías de polímero de litio de modelos diferentes.
(5) Evite aplastar o doblar la batería, ya que esto podría dañarla.
(6) No coloque la batería cerca de calentadores o fuentes de fuego, ya que esto podría dañar la batería.
(7) Si no se utiliza durante mucho tiempo, cargue la batería periódicamente para mantener el voltaje por encima de 3,0 V.
(8) Tenga en cuenta que la relación entre la tasa de descarga y la capacidad de descarga depende del tamaño de la capacidad, como se muestra en la siguiente tabla.
La relación entre la tasa de descarga y la capacidad de descarga de una batería de polímero de litio.
Tasa de descarga | 1C | 2C | 5C | 10C | 12C |
Relación de capacidad de descarga /% | 99 | 98 | 95 | 90 | 70 |
4. Características de carga y descarga de las baterías de polímero de litio.
Por lo general, se considera óptimo que las baterías de polímero de litio tengan un nivel de carga entre el 40% y el 60% cuando se almacenan.
Sin embargo, mantener constantemente este nivel de carga puede ser difícil.
Las baterías de polímero de litio que no se utilizan pueden experimentar problemas de autodescarga, lo que puede llevar a una descarga excesiva de la batería a largo plazo.
Por lo tanto, es importante tomar medidas para abordar el fenómeno de la autodescarga:
- Cargar la batería regularmente para mantener su voltaje entre 3.6V y 3.9V. Las baterías de polímero de litio no tienen efecto memoria, por lo que se pueden cargar en cualquier momento.
- Asegurarse de que el voltaje de corte de la descarga no se exceda. Si recibe una advertencia de baja energía durante el uso, debe dejar de usar el dispositivo correspondiente de inmediato.
4.1 Descarga
(1) Temperatura ambiente.
La descarga es el estado de funcionamiento de las baterías de polímero de litio, y se requiere que la temperatura esté entre -20°C y 60°C.
(2) Voltaje de corte de la descarga.
La norma generalmente aceptada es de 2.75V, aunque en algunos casos se puede configurar a 3V.
(3) Corriente de descarga.
Las baterías de polímero de litio también están disponibles en tipos de alta corriente y alta capacidad. Para las baterías de polímero de litio de alta potencia que permiten una descarga de alta corriente, la corriente debe mantenerse dentro del rango especificado en el manual de productos.
4.2 Carga
Las características de funcionamiento del cargador de batería de polímero de litio deben cumplir con las tres etapas de carga de la batería de litio, es decir, deben cumplir con los requisitos de carga de las tres etapas: precarga, carga constante y carga a voltaje constante. Por lo tanto, el cargador original es la mejor opción.
(1) Temperatura ambiente.
La temperatura ambiente durante la carga de la batería de polímero de litio debe mantenerse en el rango de 0 a 40°C.
(2) Voltaje de corte de carga.
El voltaje de corte de carga de la batería de polímero de litio es de 4.2V, incluso cuando se cargan múltiples celdas en serie, se debe utilizar un método de carga equilibrada para asegurarse de que el voltaje de una sola celda no supere los 4.2V.
(3) Corriente de carga.
Las baterías de polímero de litio se pueden cargar a una corriente de 0.2C en situaciones normales, pero generalmente no deben exceder 1C en la carga.
