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LITIO-ION

DESCRIPCIÓN

litio-ion metal de oxido

Durante muchos años las baterías a base de plomo-ácido y níquel han dominado la industria. Las baterías de níquel (NiCd, NiMH) se están eliminando gradualmente debido a una combinación de coste y de factores medioambientales. El plomo-ácido lleva presente en torno a 100 años y va a ser una fuerza de mercado en un futuro cercano, debido a su bajo coste y a la base de fabricación configurada. Litio-ion es una tecnología bien establecida para la electrónica portátil y está incrementando su papel en las aplicaciones de mayor escala; está emergiendo como un contendiente en diversas aplicaciones móviles y estacionarias donde el volumen, peso, sensibilidad a la temperatura o bajo mantenimiento son más importantes que el coste inicial. La siguiente tabla ilustra cómo el plomo-ácido y el litio-ion encajan en el mundo de las baterías recargables. Hoy en día, el litio-ion es la composición química para baterías más prometedora y de mayor crecimiento.

El trabajo pionero con baterías de litio comenzó en 1912 con G.N. Lewis, pero no fue hasta el inicio de la década de 1970, cuando se comercializaron las primeras baterías de litio no recargables. El litio es el metal más ligero, tiene el mayor potencial electroquímico y proporciona la mayor densidad de energía por peso.

Las tentativas para desarrollar baterías de litio recargables fallaron como consecuencia de algunos problemas de seguridad. Debido a la inestabilidad inherente del metal de litio, especialmente durante la carga, la investigación se orientó hacia una batería de litio no metálico que usaba iones de litio. Aunque ligeramente más bajo en densidad de energía que el metal de litio, el litio-ion es seguro, siempre que se sigan los procedimientos cuando se cargua y descargua. En 1991, Sony Corporation comercializó la primera batería de iones de litio. Posteriormente otros fabricantes siguieron su ejemplo.

La batería de iones de litio utiliza un cátodo de óxido de metal de Litio y un ánodo de carbono con un electrolito orgánico. El elevado voltaje de una sola célula permite un alto rendimiento y también permite el uso de menor cantidad de células, en comparación con otros sistemas de baterías.

En baterías a base de litio, el ánodo está hecho de carbono, mientras que el cátodo es un óxido de metal lítico (LiCoO2, LiMO2, etc.). El electrolito se compone de sales de litio (como LiPF6) disueltas en carbonatos orgánicos. Cuando la batería está siendo cargada, los átomos de litio en el cátodo se convierten en iones y migran a través del electrolito hacia el ánodo de carbono donde se combinan con los electrones externos y se depositan entre las capas de carbono como átomos de litio. Este proceso se invierte durante la descarga. Dado que el litio reacciona con el agua, se utilizan soluciones no acuosas.

La de litio-ion es una batería de bajo mantenimiento, una ventaja que la mayoría de componentes químicos no tienen. No tiene memoria y no se requiere un ciclo programado para prolongar la vida de la batería. Además, la auto-descarga es inferior a la mitad, en comparación a las de níquel-cadmio, asimismo, las células de iones de litio causan un bajo impacto medioambiental cuando son desechadas.

A pesar de sus ventajas generales, el litio-ion requiere un circuito electrónico de control para mantener una operación segura. Incorporado en cada paquete, el circuito de protección limita la tensión máxima de cada célula durante la carga y evita que el voltaje de la célula baje demasiado en la descarga. Además, la temperatura de la célula es controlada para evitar temperaturas extremas.

El almacenamiento en un lugar fresco ralentiza el proceso de envejecimiento de los iones de litio. Además, la batería debe estar cargada parcialmente durante el almacenamiento. CEGASA recomienda una carga del 40% al 60%.

La batería de iones de litio más económica en términos de coste-energía es la cilíndrica 18650 (cuyo tamaño es 18 mm x 65.2mm). Esta célula se utiliza para la informática móvil y otras aplicaciones que no exigen una geometría ultra-fina. Si se requiere un paquete fino, la célula de iones de litio prismático es la mejor opción. Estas células tienen un coste más elevado, en términos de energía almacenada. Este formato plano permite una mejor evacuación del calor y elimina el peso extra de la carcasa metálica en cada celda.

células litio-ion


VENTAJAS

  • Alta densidad de energía - potencial de capacidades aún mayores.
  • No necesita imprimación prolongada cuando son nuevas. Una carga regular es todo lo que necesita.
  • Auto-descarga relativamente baja - la auto-descarga es menos de la mitad que la de las baterías a base de níquel.
  • Bajo mantenimiento - no es necesaria ninguna descarga periódica; no hay memoria.
  • Las células especializadas pueden proporcionar una corriente muy elevada sobre aplicaciones como herramientas eléctricas.

LIMITACIONES

  • Requiere un circuito de control para mantener el voltaje y la corriente, dentro de límites seguros.
  • Proceso de envejecimiento, incluso si no está en uso - el almacenamiento en un lugar fresco al 40% de carga reduce el efecto de envejecimiento.
  • Restricciones de transporte - el cargamento de cantidades importantes puede estar sujeto a controles reglamentarios. Esta restricción no se aplica a baterías transportadas por individuos.

COMPOSICIÓN QUÍMICA ESPECÍFICA CEGASA

Hay muchas composiciones químicas Litio-ion cada una con características diferentes. CEGASA utiliza dependiendo de la aplicación específica una composición química de alta energía (NMC) o un alto número de ciclos (LFP).

La composición química NMC proporciona el mayor equilibrio de potencia, energía, seguridad y rendimiento integral en comparación con otras tecnologías de litio-ion.

NMC proporciona significativamente mayor energía específica en comparación con la tecnología de litio-ferrofosfato, mientras que la tecnología de litio-ferrofosfato proporciona mayor estabilidad y ciclos que la tecnología NMC.

especificaciones litio-ion

comparación manganeso vs litio-ion


CÉLULAS

charging lithium ion batteries

CEGASA utiliza dos tipos de células:

  • La cilíndrica 18650 & 26650 con caja metálica.
  • La célula de iones de litio prismático con caja de plástico (tipo bolsa).


CARGA DE BATERÍA DE IONES DE LITIO

El cargador de Litio-ion es un dispositivo de limitación de tensión similar al sistema de plomo ácido. La diferencia radica en una mayor tensión por célula, una tolerancia de tensión más ajustada y ausencia de goteo o carga flotante a plena carga.

Mientras que el plomo-ácido ofrece cierta flexibilidad en términos de corte de voltaje, los fabricantes de células de Litio-ion son muy estrictos en el ajuste correcto porque Litio-ion no puede soportar sobrecargas. El tan nombrado “cargador milagro” que promete prolongar la vida de la batería y los métodos que inyectan capacidad extra en la célula, aquí no existen. Litio-ion es un sistema equilibrado que sólo toma aquello que puede absorber. Cualquier exceso le produce estrés.

La mayoría de las células cargan 4,15 V/célula con una tolerancia de +/- 50 mV/célula. Los voltajes más altos podrían aumentar la capacidad, pero la oxidación celular resultante reduciría la vida de servicio. Más importante es la cuestión de la seguridad si cargamos más allá de 4.20V/célula.

La célula de Litio-ion no necesita estar completamente cargada, como en el caso del plomo-ácido, ni es conveniente hacerlo. De hecho, es mejor no cargarla completamente ya que los altos voltajes fuerzan la batería. Elegir un umbral de tensión más bajo, o eliminar la carga de saturación, en conjunto, prolonga la duración de la batería, pero esto reduce el tiempo de operación. Dado que el mercado de consumo promueve el máximo tiempo de ejecución, estos cargadores tienden hacia una máxima capacidad, en lugar de una vida útil prolongada.

Basándose en el voltaje de circuito cerrado (CCV) una lectura de la capacidad disponible durante la carga es poco factible. La tensión de circuito abierto (OCV) puede, sin embargo, ser utilizada para predecir el estado de carga después de que la batería haya descansado durante algunas horas. El período de reposo calma la batería para recuperar el equilibrio. Al igual que en todas las baterías, la temperatura afecta el OCV.


BATERÍAS A BASE DE PLOMO

Las baterías de plomo-ácido tienen muchas desventajas; el plomo-ácido es pesado y menos duradero que los sistemas a base de níquel y litio en ciclos profundos. Una descarga completa produce sobreesfuerzo y cada ciclo de descarga/carga roba de forma permanente a la batería una pequeña cantidad de capacidad. Esta pérdida es pequeña si la batería está en buenas condiciones de funcionamiento, pero el desvanecimiento se incrementa una vez que el rendimiento cae a la mitad de la capacidad nominal. Este desgaste característico se aplica a todas las baterías en varios grados.

Dependiendo de la profundidad de descarga, el plomo-ácido, para aplicaciones de ciclo profundo, proporciona una vida no superior a 200 a 300 ciclos de carga/descarga. Las principales razones de su ciclo de vida, relativamente corto, son la corrosión de la rejilla en el electrodo positivo, el agotamiento del material activo y la expansión de las placas positivas. Estos cambios son más frecuentes a temperaturas de funcionamiento elevadas y descargas de alta corriente.

Cargar una batería de plomo-ácido es sencillo, pero hay que vigilar los límites de voltaje correctos y aquí existen obligaciones. La selección del límite de voltaje protege la batería, pero esto produce un rendimiento deficiente y provoca una acumulación de sulfatación en la placa negativa. Un límite de voltaje alto mejora el rendimiento, pero forma corrosión en la placa positiva. Mientras la sulfatación se neutralice, siendo atendida a tiempo, la corrosión es permanente.

El plomo-ácido no admite una carga rápida y en la mayoría de casos, una carga completa tarda de 14 a 16 horas. La batería siempre debe almacenarse a pleno estado de carga. La carga baja provoca sulfatación, una condición que le resta rendimiento a la batería. La adición de carbono en el electrodo negativo reduce este problema, pero esto reduce la energía específica.

El plomo-ácido tiene una vida útil reducida y no está sujeto a memoria, como lo están los sistemas a base de níquel. La retención de carga es mejor entre las baterías recargables. Mientras NiCd pierde aproximadamente el 40 por ciento de su energía almacenada en tres meses, el plomo-ácido auto-descarga la misma cantidad en un año. El plomo-ácido funciona bien en temperaturas frías y es superior al litio-ion cuando se opera en condiciones a bajo cero.

BATERÍAS NIQUEL-CADMIO

La energía específica de Litio-ion es el doble que la de NiCd, y su voltaje de célula nominal alto, de 3.60V con respecto a 1.20V para sistemas de níquel, lo que acentúa este beneficio. Las mejoras en los materiales activos del electrodo tienen el potencial de mayores aumentos en densidad de energía. Las características de carga son buenas, y la curva de descarga plana ofrece una utilización eficaz de la energía almacenada en un rango de voltaje deseable de 3,70 a 2,80V/célula. Las baterías de níquel también tienen una curva de descarga plana que va desde 1,25 a 1,0 V/célula.


COMPARATIVA DE BATERÍAS DE LITIO-ION Y ÁCIDO DE PLOMO

Las siguientes tablas proporcionan una breve comparación entre plomo-ácido con iones de litio (NCM) a nivel de paquetes. Cabe señalar que ambos componentes químicos tienen una amplia gama de valores paramétricos, por lo que esta tabla es sólo una representación simplificada de una comparación muy compleja.

comparación litio-ion vs plomo-ácidocomparación litio-ion vs plomo-ácido

Un punto interesante de esta tabla es que los diferentes componentes químicos tienen diferentes estados típicos de ventanas de carga. La implicación de ello es que un sistema de plomo-ácido debe tener una capacidad energética de placa mayor que el sistema de iones de litio para tener la misma cantidad de energía disponible.

Dadas las diferencias significativas en características técnicas y económicas de los tipos de batería, es lógico pensar la solución "mejor" y el tipo de batería utilizar en cada aplicación específica. Seguidamente, se detalla un análisis más en profundidad sobre algunos de los temas abordados.

Comparativa de Ciclo de Vida

El Litio-ion tiene un significativamente mayor ciclo de vida que el plomo-ácido en aplicaciones de descarga profunda. La disparidad es aún mayor a medida que aumenta la temperatura ambiente.

Tasa de Rendimiento

Al determinar qué capacidad de batería se debe utilizar para un sistema, una consideración crítica del plomo-ácido es el tiempo que el sistema tarda en descargarse. Cuanto más corto sea el período de descarga, menor capacidad estará disponible desde la batería de ácido de plomo.

Rendimiento a Temperaturas Frías

Tanto el ácido y el litio-ion pierden capacidad en entornos de clima frío, pero los iones de litio pierden significativamente menos capacidad mientras la temperatura esté por encima de -20°C.

Impacto Ambiental

Las baterías de plomo-ácido no son comparables a las de iones de litio en términos de impacto hacia el medio ambiente. Las baterías de plomo-ácido requieren una mayor cantidad de materias primas en relación al litio-ion para lograr la misma capacidad de energía, creando un impacto mucho mayor en el medio ambiente durante el proceso de extracción mineral. La industria de procesamiento de plomo también es muy intensiva en energía, dando lugar a grandes cantidades de contaminación. Aunque el plomo es altamente peligroso para la salud humana, los métodos de fabricación y el empaquetado de la batería crean un riesgo insignificante para los humanos. En el lado positivo, más del 97% de las baterías de plomo en los Estados Unidos son reciclables, lo que crea un gran impacto en la ecuación medioambiental.

El litio no deja de tener sus propios problemas medioambientales. Los principales componentes de una célula de iones de litio requieren la extracción de carbonato de litio, cobre, aluminio y mineral de hierro. La extracción de litio es especialmente intensiva en recursos, pero el litio es solamente una parte menor de la célula de batería en términos de masa, por lo que los impactos ambientales de aluminio y cobre son mucho más significativos. La industria del reciclaje de iones de litio está en este momento en fase de inicio, pero los materiales celulares han mostrado una alta capacidad para la recuperación y el reciclado, por lo que se espera que las tasas de reciclaje de iones de litio rivalizarán con plomo-ácido.

Seguridad

Las células de plomo-ácido y litio-ion son capaces de entrar en "fuga térmica" en la que la célula se calienta rápidamente y puede emitir electrolito, llamas y humos peligrosos. La probabilidad y consecuencias de un evento son más altas para el litio-ion, ya que tiene una mayor cantidad de energía en un volumen más pequeño. Las medidas de seguridad para paquetes y células múltiples se detallan en la Figura 18. Los mecanismos de control de Litio-ion son instalados para prevenir situaciones de desencadenamiento, como cortocircuitos y sobrecalentamiento.


RESTRICCIONES DE TRANSPORTE DE BATERÍAS DE LITIO-ION

  • Cualquier persona que envíe baterías litio-ion en grandes cantidades es responsable de cumplir con las regulaciones de transporte. Esto se aplica a los envíos nacionales e internacionales por tierra, mar y aire.
  • Las células de litio-ion cuyo contenido de litio sea equivalente a 1,5 gramos u 8 gramos por paquete de batería tienen que ser enviados como "Clase 9 materiales diversos peligrosos." La capacidad de célula y el número de éstas en un paquete determinan el contenido de litio.
  • Se produce la excepción en paquetes que contienen menos de 8 gramos de contenido de litio. Sin embargo, si un envío contiene más de 24 células de litio o 12 paquetes de baterías de iones de litio, se solicitarán etiquetas especiales y documentación de transporte. Cada envase debe estar marcado indicando que contiene baterías de litio.
  • Todas las baterías de iones de litio deben ser probadas de acuerdo con las especificaciones detalladas en el documento 3090 ONU con independencia de su contenido en litio (Manual de Pruebas y Criterios de las Naciones Unidas, Parte III, subsección 38.3). Esta precaución salvaguarda frente al envío de baterías defectuosas.
  • Las células y baterías deben estar separadas para evitar cortocircuitos, así como empaquetarlas en cajas resistentes.


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