El funcionamiento de las baterías de iones de litio
Principio de funcionamiento
Las baterías de iones de litio utilizan materiales de carbono como cátodo y compuestos que contienen litio como ánodo.
Dado que no hay litio metálico presente en la batería, solo iones de litio, se les llama baterías de iones de litio.
Estas baterías se refieren a las que utilizan compuestos en los que los iones de litio se incrustan en el material del cátodo como materiales de ánodo.
El proceso de carga y descarga de las baterías de iones de litio implica la inserción y extracción de iones de litio.
Durante este proceso, también se produce la inserción y extracción de electrones equivalentes a los iones de litio (generalmente, la inserción o extracción se refiere al cátodo, mientras que la extracción o inserción se refiere al ánodo).
Durante la carga y descarga, los iones de litio se mueven hacia adelante y hacia atrás entre el cátodo y el ánodo, lo que se describe de manera gráfica como un “movimiento de mecedora” de los iones de litio.
Principales materiales de las baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio fueron desarrolladas por primera vez por la compañía japonesa Sony en 1990.
Estas baterías incorporan iones de litio en materiales de carbono, como el coque de petróleo y el grafito, para formar el cátodo (en contraste con las baterías de iones de litio tradicionales que utilizan litio o aleaciones de litio como cátodo). El material del ánodo suele ser LixCoO2, aunque también se utilizan LixNiO2 y LixMnO4. El electrolito utilizado es una combinación de LiPF6 con carbonato de etileno (EC) y carbonato de dimetilo (DMC).
El uso de coque de petróleo y grafito como materiales de cátodo es seguro y no tóxico, además de estar ampliamente disponible. La inserción de iones de litio en el material de carbono supera la alta reactividad del litio, lo que resuelve los problemas de seguridad asociados con las baterías de litio tradicionales.
El ánodo LixCoO2 ofrece un rendimiento de carga y descarga y una vida útil elevados, al mismo tiempo que contribuye a reducir los costos.
En resumen, la batería de iones de litio ha mejorado su rendimiento integral.
Características de carga y descarga de las baterías de iones de litio:
1. Descarga de las baterías de iones de litio
1.1 Tensión de terminación de descarga de las baterías de iones de litio
La tensión nominal de las baterías de iones de litio es de 3.6V (en algunos productos es de 3.7V), y la tensión de terminación de la descarga es de 2.5-2.75V (el rango de voltaje de funcionamiento o la tensión de terminación de la descarga pueden variar ligeramente según el fabricante de la batería.
La tensión de terminación de la descarga de la batería no debe ser inferior a 2.5Vxn (donde “n” es el número de baterías en serie).
La descarga por debajo de la tensión de terminación de la descarga se denomina “sobre-descarga” y puede acortar la vida útil de la batería e incluso causar su fallo.
Cuando no se utilizan las baterías, se recomienda cargarlas hasta que tengan un 20% de capacidad restante y luego almacenarlas en un empaque a prueba de humedad. Cada 3-6 meses, se debe verificar la tensión de la batería y recargarla para garantizar que la tensión de la batería esté dentro del rango seguro (por encima de 3V).
1.2 Corriente de descarga
Las baterías de iones de litio no son adecuadas para descargas de corriente alta, ya que generan temperaturas internas elevadas durante corrientes de descarga excesivas, lo que resulta en pérdida de energía y una reducción en el tiempo de descarga.
Si la batería no tiene dispositivos de protección, la sobrecalentación puede dañar la batería.
Por lo tanto, el fabricante de la batería proporciona una corriente máxima de descarga que no debe excederse durante el uso, según se indica en la hoja de características del producto.
1.3 Temperatura de descarga
Las curvas de descarga de las baterías de iones de litio varían a diferentes temperaturas.
A diferentes temperaturas, la tensión de descarga y el tiempo de descarga de las baterías de iones de litio también son diferentes.
Las baterías deben descargarse (trabajar) dentro de un rango de temperatura de -20 a 60°C.
1.4 Consideraciones durante la descarga
Para las baterías, el proceso normal de uso implica la descarga.
Aquí hay algunas precauciones a tener en cuenta durante la descarga de las baterías de iones de litio:
(1) La corriente de descarga no debe ser excesiva.
Un flujo de corriente demasiado alto puede generar calor en el interior de la batería y posiblemente causar daños permanentes.
Como se muestra en el gráfico a continuación, a medida que aumenta la corriente de descarga, la capacidad de descarga disminuye y la tensión cae más rápido.
(2) No debe descargarse en exceso bajo ninguna circunstancia.
La capacidad de almacenamiento de energía de una batería de iones de litio se basa en una reacción electroquímica reversible.
La descarga excesiva puede provocar una reacción irreversible en esta reacción electroquímica, lo que hace que la batería de iones de litio sea especialmente sensible a la sobre-descarga.
Si la tensión de descarga cae por debajo de 2.7V, la batería puede quedar inutilizable.
Sin embargo, la mayoría de las baterías están equipadas con circuitos de protección internos que detendrán la descarga antes de que la tensión caiga a un nivel que dañe la batería.
2. Carga de la batería de iones de litio
Cuando se carga una batería de iones de litio, se generan iones de litio en el electrodo positivo de la batería. Estos iones de litio generados se desplazan a través del electrolito hacia el electrodo negativo.
El material de carbono que actúa como electrodo negativo tiene una estructura laminada con numerosos poros microscópicos, y los iones de litio que llegan al electrodo negativo se insertan en estos poros microscópicos.
Cuantos más iones de litio se inserten, mayor será la capacidad de carga.
Del mismo modo, cuando se descarga la batería (cuando se utiliza), los iones de litio atrapados en los poros del electrodo negativo se liberan y regresan al electrodo positivo.
Cuantos más iones de litio regresen al electrodo positivo, mayor será la capacidad de descarga.
Por lo general, cuando se carga una batería de iones de litio, cuanto mayor sea la corriente eléctrica, más rápido se carga, pero al mismo tiempo, la batería generará más calor.
Utilizar una corriente eléctrica demasiado alta para cargar la batería puede hacer que no se cargue completamente. Esto se debe a que las reacciones electroquímicas dentro de la batería requieren tiempo, de manera similar a verter cerveza. Verter demasiado rápido puede generar burbujas y llenar el vaso de cerveza, lo que dificulta llenarlo por completo.
Cuando se utiliza una batería de iones de litio, es importante tener en cuenta que si la batería se deja sin uso durante un período prolongado, entrará en un estado de hibernación, lo que resultará en una capacidad de carga más baja de lo normal y una duración de uso reducida.
Sin embargo, las baterías de iones de litio son fáciles de reactivar. Simplemente realizando de 3 a 5 ciclos de carga y descarga normales, se puede reactivar la batería y restaurar su capacidad normal.
Debido a las características inherentes de las baterías de iones de litio, prácticamente no tienen efecto memoria. Por lo tanto, no se requieren métodos o dispositivos especiales para activar una batería de iones de litio nueva durante el proceso de activación.
2.1 Equipo de carga
Para cargar las baterías de iones de litio, es necesario utilizar un cargador especializado diseñado para baterías de iones de litio. El proceso de carga de las baterías de iones de litio se lleva a cabo utilizando el método de ‘corriente constante/voltaje constante’. Inicialmente, se aplica una corriente constante para cargar la batería hasta que se acerca al voltaje de terminación, momento en el cual se cambia al modo de carga de voltaje constante.
Es importante destacar que no se debe utilizar un cargador diseñado para baterías de níquel-cadmio (como los utilizados para cargar baterías de níquel-cadmio de 3 celdas) para cargar baterías de iones de litio, ya que esto podría resultar en una sobrecarga debido a las diferencias en los métodos de carga y a pesar de que ambas tienen un voltaje nominal de 3.6V.
2.2 Voltaje de carga
El voltaje de terminación de carga, cuando la batería está completamente cargada, depende del material utilizado en el electrodo negativo de la batería. Para el coque de petróleo, es de 4.1V, mientras que para el grafito es de 4.2V, lo que comúnmente se denomina baterías de 41V y 42V de iones de litio.
Es importante tener en cuenta que una batería con un voltaje de terminación de 4.1V no debe ser cargada con un cargador de 4.2V, ya que esto podría representar un riesgo de sobrecarga (los cargadores para 4.1V y 4.2V utilizan diferentes circuitos integrados).
Las baterías de iones de litio tienen requisitos estrictos para la carga y están equipadas con circuitos de carga precisos para garantizar la seguridad durante el proceso.
La precisión del voltaje de terminación de carga debe mantenerse dentro de un margen de tolerancia del ±1% del valor nominal (para baterías de iones de litio de 4.2V, esto se traduce en un margen de ±0.042V). La sobrecarga de voltaje durante la carga puede causar daños permanentes a las baterías de iones de litio.
2.3 Corriente de carga
La corriente de carga de las baterías de iones de litio debe determinarse según las recomendaciones del fabricante de la batería y debe incluir circuitos de corriente limitada para evitar corrientes excesivas (y, por ende, el sobrecalentamiento).
2.4 Temperatura de carga
La temperatura ambiente durante la carga de las baterías de iones de litio no debe exceder el rango de temperatura especificado en la hoja de características del producto.
Las baterías deben cargarse dentro de un rango de temperatura de 0 a 45°C y deben mantenerse alejadas de entornos de alta temperatura (superiores a 60°C) y bajas temperaturas (inferiores a -20°C).
Durante el proceso de carga o descarga de las baterías de iones de litio, la sobrecarga, la sobredescarga o la corriente excesiva pueden dañar la batería o reducir su vida útil.
Por lo tanto, se han desarrollado varios dispositivos de protección y circuitos de protección compuestos por circuitos integrados de protección (IC) que se instalan en la batería o el paquete de baterías para proporcionar una protección completa.
Sin embargo, en el uso de las baterías de iones de litio, se debe evitar la sobrecarga y la sobredescarga tanto como sea posible.
Por ejemplo, en el proceso de carga de las baterías utilizadas en robots pequeños, deben separarse del cargador tan pronto como estén completamente cargadas, ya que una descarga superficial prolonga significativamente la vida útil.
Por lo tanto, no espere a que el robot le indique que la energía de la batería está baja para cargarla, y definitivamente no continúe utilizando la batería después de recibir una señal de advertencia, incluso si todavía queda algo de energía residual disponible.
3. Proceso de fabricación
Por lo general, existen varios métodos para la fabricación de baterías de iones de litio.
① Preparación de la pasta.
Se mezcla material activo en polvo para el electrodo positivo y el electrodo negativo con disolventes y aglutinantes especializados. Después de una mezcla homogénea, se obtiene una pasta para el electrodo positivo y el electrodo negativo.
② Recubrimiento.
Se utiliza una máquina de recubrimiento automático para aplicar uniformemente la pasta del electrodo positivo y el electrodo negativo sobre la superficie de la lámina de metal. Después de un secado automático, se cortan automáticamente para formar las placas del electrodo positivo y negativo.
③ Ensamblaje.
El proceso de ensamblaje de una batería de iones de litio implica la disposición de los electrodos positivos y negativos, separados por membranas, en una secuencia de capas desde arriba hacia abajo.
Luego, se inyecta el electrolito, se sella la batería y se sueldan los terminales positivos y negativos, completando así el proceso de ensamblaje de la batería de iones de litio y obteniendo una batería terminada.
④ Formación.
Las baterías de iones de litio terminadas se colocan en una cámara de prueba para realizar pruebas de carga y descarga.
Solo las baterías de iones de litio que pasen estas pruebas y cumplan con los estándares de calidad se consideran aptas y están listas para su envío.
Más información sobre la produción de baterías de ion de litio, por favor revisa el post nosotro:
4. Almacenamiento de baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio tienen una tasa de autodescarga muy baja y pueden almacenarse durante más de 3 años, con la capacidad de recuperar la mayor parte de su carga.
Almacenarlas en condiciones de refrigeración mejorará aún más su rendimiento. Por lo tanto, guardar las baterías de iones de litio en un lugar fresco es una buena práctica.
Si la tensión de la batería de iones de litio cae por debajo de 3.6V y necesita ser almacenada durante un período prolongado, esto puede llevar a una sobredescarga de la batería y dañar su estructura interna, reduciendo su vida útil.
Por lo tanto, las baterías de iones de litio almacenadas a largo plazo deben ser recargadas cada 3 a 6 meses, es decir, cargarlas hasta una tensión de alrededor de 3.8 a 3.9V (la tensión óptima de almacenamiento es de aproximadamente 3.85V), pero no es recomendable cargarlas completamente.
Las baterías de iones de litio tienen un amplio rango de temperatura de funcionamiento y aún pueden utilizarse al aire libre en invierno en regiones del norte, aunque su capacidad se reducirá significativamente.
Sin embargo, si se vuelven a condiciones de temperatura ambiente, su capacidad puede recuperarse.
