Características de la batería de iones de litio
Las características de la batería determinan el rendimiento de las baterías. Se caracterizan por el almacenamiento de energía, la capacidad, y la entrega actual, o potencia.
While batteries can endure gentle 0.2C discharges and analog loads, many applications demand momentary high load conditions that place far more stress on the battery. This results in a decrease in capacity over time (Figure 6).
Rango de temperatura
Cuando se trata del rendimiento de las baterías de iones de litio, no hay ningún secreto de que un buen rango de temperatura puede marcar la diferencia. Desde un punto de vista práctico, esto significa no solo la capacidad de mantener una carga durante un período largo, sino también que la batería no se sobrecalentará ni se congelará cuando se expone a temperaturas extremas.
Por ejemplo, la célula de iones de litio promedio puede soportar una temperatura sostenida de -20 grados C (-4 F). Una batería también se puede cargar a una temperatura más alta agregando un conjunto especial de disipador térmico que se encuentra debajo de la superficie del cargador.
La temperatura de las celdas está regulada por el sistema de gestión de la batería, o BMS. El sistema utiliza una serie de sensores para medir la temperatura real de cada celda y controlar la cantidad de potencia entregada a las celdas.
En el mundo real, esto a menudo es un desafío de lograr sin sacrificar el rendimiento. Una forma de hacerlo es con un cargador flotante, que modifica automáticamente la cantidad de energía que ofrece para mantener una batería de retención a su densidad de carga óptima. Los cargadores flotantes también cuentan con un sistema de enfriamiento de convección para mayor eficiencia. También están disponibles en una amplia gama de tamaños y capacidades, por lo que puede encontrar la coincidencia perfecta para su aplicación.
Velocidad de descarga
La tasa de descarga de las baterías LTH es una de sus características más importantes. Determina la corriente máxima que se puede extraer de la batería durante un período de tiempo determinado. La mayoría de las baterías portátiles están clasificadas en tasas C; Por ejemplo, una batería de 1000 mAh está clasificada para proporcionar 1000 mA de corriente durante una hora a 1C; 0.5C sería dos horas y 0.1C una descarga de 10 horas.
Las tasas de descarga de todo tipo de baterías varían según la carga y cómo se aplica. Una lenta reacción química y la baja densidad de energía del ácido de plomo lo convierten en una mala elección para cargas pesadas, mientras que las baterías a base de níquel y a base de litio tienen reacciones rápidas que permiten su entrega continua de alta potencia hasta que la batería se agota.
El rendimiento y la vida útil de una batería se ven muy afectados por la carga a la que se aplica y con qué frecuencia se recarga. Un empate de baja corriente en una descarga constante es preferible sobre una carga momentánea o pulsada pesada; También reduce el estrés en las celdas de la batería y conduce a una vida útil más larga.
Por ejemplo, una batería NIMH puede tener una capacidad de aproximadamente 450 ciclos completos antes de que comience a degradarse, pero esto disminuye a solo la mitad de ese valor cuando está sujeto a una descarga de 2C (ver Figura 6). Por otro lado, una célula de energía iónica de litio puede soportar un número mucho mayor de ciclos a 1C, pero una vez que un ciclo cuenta 450, su rendimiento y longevidad comienzan a disminuir.
Por lo tanto, es crítico diseñar baterías que funcionen bien en una amplia gama de condiciones de carga, incluida una descarga de CC moderada versus un pulso o una carga momentánea pesada. Una batería puede exhibir características similares al condensador al descargar a una alta frecuencia, lo que permite corrientes máximas más altas de lo posible con una carga de CC; Sin embargo, estas corrientes máximas altas acortan la vida útil de la batería porque la temperatura aumenta la velocidad de la reacción química.
Para aumentar la velocidad de descarga de una batería, el diseño del electrodo debe considerar la competencia entre la cinética de la litiación, SST y LST, como se ilustra en la Fig. 4. SST supera a LST para determinar el rendimiento electroquímico de los electrodos a diferentes SOL, tamaño de partícula y concentración del electrolito. Como resultado, los electrodos con partículas más gruesas y más grandes basadas en una estructura de partículas en capas mejoran el rendimiento de descarga de una batería mientras mantienen su densidad de energía gravimétrica.
Ciclo de vida
La vida útil del ciclo de una batería es una de las características más importantes para evaluar. Esto se debe a que la vida útil de una batería depende de muchos factores, incluido su rango de temperatura, su tasa de descarga y sus condiciones ambientales. También influye en el rendimiento de la batería y su capacidad.
En el campo de la energía renovable, las baterías de iones de litio (LIB) están ganando una creciente popularidad debido a su alta energía específica y buena vida en ciclo. Estas baterías se usan ampliamente en los campos de vehículos automotrices, industriales y eléctricos.
Las libs están compuestas de tres componentes principales: un ánodo, un cátodo y un electrolito. Durante el proceso de carga y descarga, los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo y viceversa, respectivamente. Esto permite el almacenamiento de iones de litio en libs durante el ciclo de almacenamiento de energía y los libera al final del ciclo.
Esta es la razón por la cual las libs tienen una vida útil más larga que las baterías de plomo-ácido convencionales, así como la capacidad de tomar ciclos de carga de carga profundas. Por lo tanto, pueden usarse en aplicaciones que requieren un uso pesado y una larga vida.
Para calcular la vida útil del ciclo de una lib, los investigadores usan una serie de herramientas. Algunos de ellos son simples y fáciles de aplicar, mientras que otros son más complejos y complicados. Estos últimos suelen ser más adecuados para predecir la vida del ciclo de la batería en aplicaciones reales y condiciones de envejecimiento térmico.
Estos métodos incluyen un ECM [8,9], un modelo para describir la reacción electroquímica de las baterías y una estrategia de control térmico. El ECM es un modelo simple y flexible que es capaz de simular el rendimiento y la vida útil de una batería. El modelo generalmente se basa en el voltaje de circuito abierto (OCV) de la batería y su curva de voltaje correspondiente.
El modelo es una herramienta poderosa para evaluar el rendimiento de las baterías de iones de litio. Puede simular con precisión la reacción electroquímica entre los iones de litio y sus respectivos componentes, así como los cambios de estos parámetros durante la vida útil de la batería.
El LCA de una nueva batería no solo es útil para evaluar su desempeño ambiental, sino que también puede ayudar a los diseñadores a elegir el proceso de fabricación óptimo. Esto puede reducir la cantidad de materias primas necesarias y mejorar la sostenibilidad del producto. Además, puede contribuir al desarrollo de una nueva tecnología de reciclaje para baterías gastadas.
Seguridad
Las baterías de iones de litio se han convertido en una opción atractiva para equipos de manejo de materiales y se usan ampliamente en aplicaciones industriales. Sin embargo, estas baterías pueden presentar riesgos de seguridad si no se mantienen o se cargan adecuadamente. Por ejemplo, la carga de temperatura en frío puede causar el enchapado de litio metálico en el ánodo de un paquete, que es permanente y no se puede eliminar.
Además, la presencia de partículas metálicas microscópicas en una batería puede conducir a cortocircuitos internos. Dicha contaminación puede quedarse sin ser detectada y causar fugas térmicas, que es una condición peligrosa que no puede detenerse en el circuito de seguridad de la batería.
Por lo tanto, es esencial comprender la física de las características de la batería LTH antes de implementarlas en sus operaciones. Este conocimiento lo ayudará a proteger a los trabajadores, equipos y el medio ambiente de lesiones y daños innecesarios.
Primero, es necesario conocer el comportamiento mecánico-eléctrico-térmico mecánico de la batería cuando se daña durante las pruebas de impacto dinámico. La influencia de la forma del golpe de extrusión de la batería y la posición de extrusión en su comportamiento mecánico-eléctrico-térmico se estudian mediante pruebas de impacto dinámico con un sangría cónico.
Los resultados de estas pruebas mostraron que el área de contacto entre la celda y el sangría tuvo un efecto significativo sobre la deformación de la batería bajo la fuerza de impacto, como se muestra en la Figura 5. En las mismas condiciones de prueba, cuando el área de contacto entre la celda y el sangría está más cerca de la posición del borde, la deformación de la batería era mayor y la capacidad de carga de carga era más débil.
Además, cuando el área de contacto estaba más cerca del centro de la celda, la deformación era menor y la capacidad de carga de carga era mayor. Esto se debe a que la deformación de la célula en la posición central era más propensa a la concentración de estrés local, lo que hizo que la célula fuera más susceptible al daño y la fuga de electrolitos.
Para replicar con mayor precisión las condiciones del mundo real, se utilizaron baterías comerciales de alta capacidad con 100% SOC en el estudio. Los comportamientos de falla de las baterías y módulos se analizaron en diferentes condiciones de impacto para determinar datos efectivos para el diseño estructural de los paquetes de baterías.
