Principio e definicións

2020-08-11 08:07

Capacidade e enerxía dunha batería ou sistema de almacenamento

A capacidade dunha batería ou acumulador é a cantidade de enerxía almacenada segundo a temperatura específica, a carga e o valor actual de descarga e o tempo de carga ou descarga.

Capacidade de clasificación e taxa C

A velocidade C úsase para escalar a corrente de carga e descarga dunha batería. Para unha determinada capacidade, a velocidade C é unha medida que indica a que corrente se carga unha batería e descargado para alcanzar a súa capacidade definida. 

Unha carga de 1 C (ou C / 1) carga unha batería que é de 1000 Ah a 1000 A durante unha hora, polo que ao final da hora a batería alcanza unha capacidade de 1000 Ah; A descarga de 1C (ou C / 1) drena a batería a esa mesma velocidade.
Unha carga de 0,5C ou (C / 2) carga unha batería que é de 1000 Ah a 500 A, polo que leva dúas horas a carga da batería coa capacidade de 1000 Ah;
Unha carga de 2C carga unha batería de 1000 Ah a 2000 A, polo que leva teóricamente 30 minutos en cargar a batería coa capacidade de 1000 Ah;
A clasificación Ah normalmente marca a batería.
O último exemplo, unha batería de ácido plomo cunha potencia nominal de C10 (ou C / 10) de 3000 Ah debería cargarse ou descargarse en 10 horas cunha carga actual ou descarga de 300 A.

Por que é importante coñecer a velocidade C ou a clasificación C dunha batería

A velocidade C é un dato importante para unha batería porque a maior parte das baterías a enerxía almacenada ou dispoñible depende da velocidade da corrente de carga ou descarga. Xeralmente, para unha determinada capacidade, terás menos enerxía se descargas nunha hora que se descargas en 20 horas, ao revés almacenarás menos enerxía nunha batería cunha carga actual de 100 A durante 1 hora que cunha carga actual de 10 A durante 10 h.

Fórmula para calcular a corrente dispoñible na saída do sistema de baterías

Como calcular a corrente de saída, a enerxía e a enerxía dunha batería segundo a velocidade C?
A fórmula máis sinxela é:

I = Cr * Er
ou
Cr = I / Er
Onde
Er = enerxía clasificada almacenada en Ah (capacidade nominal da batería dada polo fabricante)
I = corrente de carga ou descarga en Amperes (A)
Cr = velocidade C da batería
A ecuación para obter o tempo de carga ou carga ou descarga "t" segundo a capacidade actual e clasificada é:
t = Er / I
t = tempo, duración da carga ou descarga (tempo de execución) en horas
Relación entre Cr e t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Como funcionan as baterías de ións de litio

Baterías de iones de litio son moi populares nestes días. Podes atopalos en portátiles, PDAs, teléfonos móbiles e iPods. Son tan comúns porque, por libra, son algunhas das baterías recargables máis enerxéticas dispoñibles.

As baterías de iones de litio tamén estiveron na noticia recentemente. Isto é debido a que estas baterías teñen a capacidade de estoupar en chamas ocasionalmente. Non é moi común - só dúas ou tres baterías por millón teñen un problema - pero cando sucede é extremo. Nalgunhas situacións, o índice de falla pode subir e cando iso sucede acabas cun recordo mundial de baterías que pode custar millóns de dólares aos fabricantes.

Entón, a pregunta é, que fai estas baterías tan enerxéticas e tan populares? Como estoupan en chama? E hai algo que podes facer para evitar o problema ou axudar ás pilas a durar máis tempo? Neste artigo, responderemos a estas preguntas e moito máis.

As baterías de ións de litio son moi populares porque teñen unha serie de vantaxes importantes fronte ás tecnoloxías competidoras:

• Xeralmente son moito máis lixeiros que outros tipos de baterías recargables do mesmo tamaño. Os electrodos dunha batería de ións de litio están feitos de litio e carbono lixeiros. O litio tamén é un elemento altamente reactivo, o que significa que se pode almacenar moita enerxía nos seus enlaces atómicos. Isto tradúcese nunha densidade de enerxía moi elevada para as baterías de iones de litio. Aquí tes un xeito de obter unha perspectiva sobre a densidade de enerxía. Unha batería típica de ións de litio pode almacenar 150 watts de electricidade en 1 quilogramo de batería. Un paquete de batería NiMH (níquel-metal hidruro) pode almacenar quizais 100 watts por quilogramo, aínda que pode ser máis típico entre 60 e 70 watts. Unha batería de chumbo pode almacenar só 25 vatios por quilogramo. Utilizando a tecnoloxía de plomo-ácido, leva 6 quilogramos para almacenar a mesma cantidade de enerxía que unha batería de iones de litio de 1 quilogramo pode manexar. Esa é unha enorme diferenza
• Eles manteñen o seu cargo. Unha batería de iones de litio perde só preto do 5 por cento da súa carga ao mes, en comparación cunha perda do 20 por cento das baterías NiMH.
• Non teñen ningún efecto de memoria, o que significa que non hai que descargalos por completo antes de recargalo, como sucede con outros químicos de baterías.
• As baterías de iones de litio poden xestionar centos de ciclos de carga / descarga.

Iso non quere dicir que as baterías de iones de litio sexan impecables. Eles teñen algunhas desvantaxes:

• Comezan a degradarse en canto saen da fábrica. Só terán unha duración de dous ou tres anos desde a data de fabricación se os emprega ou non.
• Son extremadamente sensibles ás altas temperaturas. A calor fai que as baterías de ións de litio se degraden moito máis rápido do que normalmente.
• Se descargas completamente unha batería de iones de litio, quedará arruinada.
• Unha batería de iones de litio debe ter un ordenador a bordo para xestionar a batería. Isto fai que sexan aínda máis caros do que xa son.
• Hai unha pouca posibilidade de que, se falla un paquete de batería de ións de litio, estoupe en chama.

Pódense comprender moitas destas características mirando a química dentro dunha célula de ións de litio. Veremos isto a continuación.

As baterías de ións de litio teñen todas as formas e tamaños, pero por dentro semellan iguais. Se quitarías un paquete de baterías dun portátil (algo que NON recomendamos debido á posibilidade de cortar unha batería e iniciar un incendio) atoparías o seguinte:

• As células de ións de litio poden ser pilas cilíndricas que semellan case idénticas ás células AA, ou poden ser prismáticas, o que significa que son cadradas ou rectangulares. O ordenador, que inclúe:
• Un ou máis sensores de temperatura para controlar a temperatura da batería
• Un convertedor de tensión e circuíto regulador para manter niveis seguros de tensión e corrente
• Conector portátil blindado que permite que a enerxía e a información flúen dentro e fóra da batería
• Unha billa de voltaxe, que controla a capacidade de enerxía das células individuais da batería
• Un monitor de estado de carga da batería, que é un pequeno ordenador que xestiona todo o proceso de carga para asegurarse de que as baterías se carguen o máis rápido e totalmente posible.

Se a batería está demasiado quente durante a carga ou o uso, o ordenador apagará o fluxo de enerxía para intentar arrefriar as cousas. Se deixas o portátil nun coche moi quente e intentas usar o portátil, este ordenador pode evitar que se acenda ata que as cousas se arrefríen. Se as células se descargan por completo, a batería apagarase porque as células están arruinadas. Tamén pode realizar un control do número de ciclos de carga / descarga e enviar información polo que o contador de batería do portátil pode indicarlle a cantidade de carga que queda na batería.

É un pequeno computador bastante sofisticado e trae enerxía das baterías. Esta operación é unha das razóns polas que as baterías de ións de litio perden o 5 por cento da súa potencia cada mes cando están parados.

Células de ión de litio

Como ocorre coa maioría das baterías, tes unha caixa exterior de metal. O uso do metal é especialmente importante aquí porque a batería está a presión. Este estoxo metálico ten algún orificio de ventilación sensible á presión. Se a batería está tan quente que arrisca a explotar por sobrepresión, este respirador libera a presión adicional. A batería probablemente será inútil despois, polo que isto é algo que hai que evitar. A ventilación está estrictamente aí como medida de seguridade. O mesmo é o interruptor de coeficiente de temperatura positiva (PTC), un dispositivo que supón evitar que a batería se sobrecaliente.

Esta caixa metálica sostén unha longa espiral composta por tres follas finas presionadas entre si:

• Un electrodo positivo
• Un electrodo negativo
• Un separador

No interior da caixa estas follas están mergulladas nun disolvente orgánico que actúa como electrólito. O éter é un disolvente común.

O separador é unha folla moi fina de plástico micro perforado. Como o nome indica, separa os electrodos positivos e negativos ao tempo que permite pasar iones.

O electrodo positivo está feito de óxido de cobalto de litio, ou LiCoO2. O electrodo negativo está feito de carbono. Cando a batería se carga, ións de litio móvense a través do electrólito do electrodo positivo ao electrodo negativo e únense ao carbono. Durante a descarga, os ións de litio volven ao LiCoO2 a partir do carbono.

O movemento destes ións de litio ocorre nunha tensión bastante alta, polo que cada célula produce 3,7 voltios. Isto é moi superior aos 1,5 voltios típicos dunha célula alcalina AA normal que mercas no supermercado e axuda a facer máis compactas as baterías de iones de litio en dispositivos pequenos como os teléfonos móbiles. Vexa como funcionan as baterías para obter detalles sobre diferentes produtos químicos de baterías.

Veremos como prolongar a vida dunha batería de iones de litio e exploraremos por que poden explotar a continuación.

Vida e morte da batería do ión de litio

As baterías de iones de litio son caras, así que se queres que a túa dure máis tempo, aquí tes que ter en conta:

• A química do ión de litio prefire a descarga parcial á descarga profunda, polo que o mellor é evitar que a batería estea a cero. Dado que a química de iones de litio non ten unha "memoria", non prexudicar a batería cunha descarga parcial. Se a tensión dunha célula de ión de litio cae por baixo dun certo nivel, arruínase.
• As baterías de ións de litio envellecen. Só duran entre dous e tres anos, aínda que estean sentados nun andel sen uso. Así que non "evite usar" a batería co pensamento de que a batería durará cinco anos. Non o fará. Ademais, se está a mercar un novo paquete de baterías, quere asegurarse de que realmente é novo. Se leva un ano sentado nun andel da tenda, non durará moito tempo. As datas de fabricación son importantes.
• Evite a calor, que degrada as baterías.

Baterías que explotan

Agora que sabemos manter as baterías de iones de litio funcionando máis tempo, vexamos por que poden explotar.

Se a batería está bastante quente para acender o electrólito, farás un incendio. Hai videoclips e fotos na web que amosan o grave que poden ser estes incendios. O artigo CBC, "Summer of the Exploding Laptop", ronda varios destes incidentes.

Cando ocorre un incendio coma este, normalmente é causado por un corto interno na batería. Lembre da sección anterior que as células de ións de litio conteñen unha folla separadora que mantén os electrodos positivos e negativos. Se esa folla se pincha e os electrodos tocan, a batería quenta moi rápido. Pode ter experimentado o tipo de calor que pode producir unha batería se algunha vez meteu unha batería de 9 voltios no peto. Se unha moeda atópase entre os dous terminais, a batería está bastante quente.

En caso de fallo no separador, este mesmo tipo de curtas ocorre dentro da batería de iones de litio. Dado que as baterías de iones de litio son tan enerxéticas, fan moito calor. A calor fai que a batería escape o disolvente orgánico usado como electrolito e a calor (ou unha chispa próxima) pode iluminala. Unha vez que isto sucede dentro dunha das células, a calor do lume cae cara ás outras células e todo o paquete vai en chamas.

É importante notar que os incendios son moi raros. Aínda así, só leva un par de lumes e un pouco de medios cobertura para solicitar un chamamento.

Diferentes tecnoloxías de litio

En primeiro lugar, é importante ter en conta que hai moitos tipos de baterías de iones de litio. O punto a destacar nesta definición fai referencia a unha "familia de pilas".
Existen varias baterías diferentes de "Ión de litio" desta familia que utilizan diferentes materiais para o seu cátodo e ánodo. Como resultado, presentan características moi diferentes e polo tanto son adecuadas para diferentes aplicacións.

Fosfato de ferro de litio (LiFePO4)

O fosfato de ferro de litio (LiFePO4) é unha coñecida tecnoloxía de litio en Australia debido ao seu amplo uso e adecuación a unha ampla gama de aplicacións.
As características de baixo prezo, alta seguridade e boa enerxía específica, fan desta unha forte opción para moitas aplicacións.
A tensión celular de 3,2 V / célula LiFePO4 tamén o converte na tecnoloxía de litio que se elixe para a substitución de ácido de chumbo selado en varias aplicacións clave.

Batería LiPO

De todas as opcións de litio dispoñibles, hai varias razóns polas que se seleccionou LiFePO4 como a tecnoloxía ideal de litio para a substitución de SLA. As principais razóns derivan nas súas características favorables á hora de analizar as principais aplicacións onde existen SLA actualmente. Estes inclúen:

• Tensión similar a SLA (3,2 V por cela x 4 = 12,8 V) converténdoos en ideais para a substitución de SLA.
• A forma máis segura das tecnoloxías do litio.
• Respecto ao medio ambiente: o fosfato non é perigoso, polo que é amigable tanto para o ambiente como por un risco para a saúde.
• Amplio rango de temperatura.

Características e beneficios de LiFePO4 en comparación con SLA

A continuación móstranse algunhas características clave dunha batería de fosfato de ferro de litio que dan algunhas vantaxes importantes de SLA nunha serie de aplicacións. Esta non é unha lista completa por suposto, pero cubre os elementos clave. Seleccionouse como SLA unha batería 100AH AGM, xa que é un dos tamaños máis usados nas aplicacións de ciclo profundo. Este 100AH AGM foi comparado cun 100AH LiFePO4 para comparar un parecido para o máis preto posible.

Característica - Peso:

Comparación

• LifePO4 é inferior á metade do peso do SLA
• Ciclo profundo AGM - 27,5Kg
• LiFePO4 - 12,2Kg

Beneficios

• Aumenta a eficiencia de combustible
  • Nas aplicacións de caravanas e barcos, o peso de remolque é reducido.
• Aumenta a velocidade
  • Nas aplicacións de embarcacións pódese aumentar a velocidade da auga
• Redución do peso total
• Tempo de duración máis longo

O peso ten unha gran influencia en moitas aplicacións, especialmente no caso do remolque ou da velocidade implicada, como a caravana e o paseo en barco. Outras aplicacións que inclúen iluminación portátil e aplicacións de cámaras onde as pilas deben ser transportadas.

Característica: maior ciclo de vida:

Comparación

• Ata 6 veces a vida do ciclo
• Ciclo profundo AGM - 300 ciclos @ 100% doD
• LiFePO4 - 2000 ciclos @ 100% DoD

Beneficios

• Menor custo total de propiedade (custo por kWh moito menor durante a vida útil da batería para LiFePO4)
• Redución dos custos de substitución - substitúe o AGM ata 6 veces antes de que o LiFePO4 precise substituír

A maior duración do ciclo significa que o custo adicional dunha batería LiFePO4 é máis que compensado para o tempo de uso da batería. Se se usa a diario, haberá que substituír un AGM aproximadamente. 6 veces antes de que o LiFePO4 precise substituír

Característica - Curva de descarga plana:

Comparación

• A 0.2C (20A) de descarga
• AGM - cae por baixo de 12V despois
• 1,5 horas de tempo de execución
• LiFePO4 - cae por baixo de 12V despois de aproximadamente 4 horas de tempo de execución

Beneficios

• Uso máis eficiente da capacidade da batería
• Potencia = Voltos x Amplificadores
• Cando a tensión comece a caer, a batería deberá suministrar amplificadores máis altos para proporcionar a mesma cantidade de enerxía.
• A maior tensión é mellor para a electrónica
• Tempo de duración máis longo do equipo
• Utilización completa da capacidade, incluso a altos índices de descarga
• AGM @ 1C descarga = 50% de capacidade
• LiFePO4 @ 1C descarga = 100% de capacidade

Esta característica é pouco coñecida, pero supón unha forte vantaxe e ofrece múltiples beneficios. A curva de descarga plana de LiFePO4, a tensión do terminal mantén por riba de 12V o uso de capacidade ata o 85-90%. Por iso, necesítanse menos amplificadores para subministrar a mesma cantidade de potencia (P = VxA) e, polo tanto, o uso máis eficiente da capacidade leva a un tempo de execución máis longo. O usuario tampouco notará a diminución do dispositivo (carro de golf, por exemplo) anteriormente.

Xunto a isto, o efecto da lei de Peukert é moito menos significativo co litio que o da AGM. Isto resulta en ter dispoñible unha gran porcentaxe da capacidade da batería, independentemente da taxa de descarga. A 1C (ou descarga 100A para a batería de 100AH) a opción LiFePO4 aínda lle dará 100AH fronte a só 50AH para AGM.

Característica: maior uso da capacidade:

Comparación

• Recomendado por AGM DoD = 50%
• LiFePO4 recomendado DoD = 80%
• Ciclo profundo de AGM - 100AH x 50% = 50Ah
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Diferencia = 30Ah ou 60% máis de uso de capacidade

Beneficios

• Aumento da batería en tempo de execución ou menor capacidade para a substitución

O aumento da utilización da capacidade dispoñible significa que o usuario pode obter ata un 60% máis de tempo de execución da mesma opción de capacidade en LiFePO4, ou optar alternativamente por unha batería LiFePO4 de menor capacidade á vez que consegue o mesmo tempo de execución que a maior capacidade AGM.

Característica: maior eficiencia de cargas:

Comparación

• AGM: a carga completa leva aproximadamente. 8 horas
• LiFePO4 - A carga completa pode ser tan baixa como 2 horas

Beneficios

• Batería cargada e lista para volver a usar máis rapidamente

Outro forte beneficio en moitas aplicacións. Debido á menor resistencia interna entre outros factores, LiFePO4 pode aceptar a carga a un ritmo moi grande que AGM. Isto permítelles cargar e preparar o seu uso moito máis rápido, o que leva a moitos beneficios.

Característica - Baixa taxa de descarga propia:

Comparación

• AGM - Descarga ao 80% SOC despois de 4 meses
• LiFePO4 - Descarga ao 80% despois de 8 meses

Beneficios

• Pódese deixar no almacenamento por un período máis longo

Esta característica é grande para os vehículos de recreo que só se poderán usar un par de meses ao ano antes de almacenar o resto do ano como caravanas, barcos, motocicletas e motos acuáticas. Xunto con este punto, LiFePO4 non se califica e, incluso, despois de deixarse por períodos prolongados de tempo, a batería é menos susceptible de estar danada definitivamente. Non se prexudica unha batería LiFePO4 ao non quedar no almacenamento nun estado totalmente cargado.

Polo tanto, se as túas aplicacións xustifican algunha das funcións anteriores, estarás seguro de que vales os cartos polo gasto extra nunha batería LiFePO4. Seguirá un artigo de seguimento nas próximas semanas que incluirá aspectos de seguridade sobre LiFePO4 e diferentes químicas de litio.