- Historial de la batería de iones de litio
- Química y funcionamiento de la batería de iones de litio
- Introducción a las baterías de iones de litio
- La forma más fácil de usar una celda 18650
- Paquete de baterías de iones de litio (celdas en serie y en paralelo)
A menos que Tony Stark intervenga e invente el reactor Arc o la investigación en satélites de energía solar (SPS) para la transferencia inalámbrica de energía, los humanos tenemos que depender de las baterías para alimentar nuestros dispositivos electrónicos portátiles o remotos. El tipo más común de baterías recargables que se encuentran en la electrónica de consumo es de iones de litio o de polímero de litio. En este artículo, nuestro interés estaría en las baterías de iones de litio, ya que tienden a ser más útiles que todos los demás tipos. Ya sea un pequeño banco de energía o una computadora portátil o algo tan grande como el nuevo Modelo 3 de Tesla, todo funciona con una batería de iones de litio.
¿Qué hace que estas baterías sean especiales? ¿Qué debe saber al respecto antes de usar uno en sus proyectos / diseños? ¿Cómo cargará o descargará estas baterías de forma segura? Si tiene curiosidad por conocer las respuestas a todas estas preguntas, entonces ha llegado al artículo correcto, simplemente siéntese y lea mientras yo trato de mantener esto lo más interesante posible.
Historial de la batería de iones de litio
La idea de la batería de iones de litio fue acuñada por primera vez por GN Lewis en 1912, pero se hizo factible solo en la década de 1970 y la primera batería de litio no recargable se introdujo en los mercados comerciales. Más tarde, en la década de 1980, los ingenieros intentaron hacer la primera batería recargable utilizando litio como material de ánodo y tuvieron un éxito parcial. No se dieron cuenta de que este tipo de baterías de litio eran inestables durante el proceso de carga y crearía un cortocircuito dentro de la batería aumentando la temperatura y provocando una fuga térmica.
En 1991, una de esas baterías de litio utilizadas en dispositivos móviles explotó sobre la cara de un hombre en Japón. Solo después de este incidente se advirtió que las baterías de iones de litio deben manipularse con extrema precaución. Una gran cantidad de este tipo de baterías que estaban en el mercado fueron retiradas del mercado por los fabricantes por cuestiones de seguridad. Más tarde, después de mucha investigación, Sony presentó las baterías de iones de litio avanzadas con una nueva química que se está utilizando hasta la fecha. Terminemos las lecciones de historia aquí y veamos la química de una batería de iones de litio.
Química y funcionamiento de la batería de iones de litio
Como el nombre lo indica obviamente, las baterías de iones de litio utilizan iones de litio para realizar el trabajo. El litio es un metal muy ligero con alta densidad de energía, esta propiedad permite que la batería sea liviana y proporcione alta corriente con un factor de forma pequeño. La densidad de energía es la cantidad de energía que se puede almacenar por unidad de volumen de la batería, cuanto mayor sea la densidad de energía, más pequeña será la batería. A pesar de las abrumadoras propiedades del litio metálico, no se puede utilizar como electrodo directamente en las baterías, ya que el litio es muy inestable debido a su naturaleza metálica. Por lo tanto, usamos iones de litio que más o menos tienen la misma propiedad de un metal de litio, pero no son metálicos y son comparativamente más seguros de usar.
Normalmente, el ánodo de una batería de litio está hecho de carbono y el cátodo de la batería está hecho con óxido de cobalto o algún otro óxido metálico. El electrolito utilizado para conectar estos dos electrodos será una solución salina simple que contiene iones de litio. Al descargar, los iones de litio cargados positivamente se mueven hacia el cátodo y lo bombardean hasta que se cargue positivamente. Ahora, dado que el cátodo está cargado positivamente, atrae electrones cargados negativamente hacia él. Estos electrones se hacen fluir a través de nuestro circuito, lo que alimenta el circuito.
Del mismo modo, mientras se carga, ocurre exactamente lo contrario. Los electrones de las cargas fluyen hacia la batería y, por lo tanto, los iones de litio se mueven hacia el ánodo, lo que hace que el cátodo pierda su carga positiva.
Introducción a las baterías de iones de litio
Basta de teoría sobre las baterías de iones de litio, ahora conozcamos de manera práctica estas celdas para que podamos tener confianza en ellas para usarlas en nuestros proyectos. La batería de iones de litio más utilizada son las 18650 celdas, por lo que discutiremos sobre lo mismo en este artículo. Una celda 18650 típica se muestra en la imagen a continuación
Como todas las baterías, la batería de iones de litio también tiene una clasificación de voltaje y capacidad. El voltaje nominal para todas las celdas de litio será de 3.6V, por lo que necesita una especificación de voltaje más alta, debe combinar dos o más celdas en serie para lograrlo. Por defecto, todas las celdas de iones de litio tendrán un voltaje nominal de solo ~ 3.6V. Se puede permitir que este voltaje baje hasta 3,2 V cuando esté completamente descargado y suba hasta 4,2 V cuando esté completamente cargado. Recuerde siempre que descargar la batería por debajo de 3,2 V o cargarla por encima de 4,2 V dañará la batería de forma permanente y también podría convertirse en una receta para los fuegos artificiales. Analicemos las terminologías involucradas en una batería 18650 para que podamos entender mejor. Tenga en cuenta que estas explicaciones son aplicables solo para una sola celda 18650, más adelante veremos más sobre los paquetes de baterías de iones de litio, donde más de una celda está conectada en serie o en paralelo para obtener valores de voltaje y corriente mucho más altos.
Voltaje nominal: el voltaje nominal es el voltaje nominal real de una celda 18650. De forma predeterminada, es de 3,6 V y seguirá siendo el mismo para todas las celdas 18650 a pesar de sus fabricantes.
Voltaje de descarga total: nunca se debe permitir que una celda 18650 se descargue por debajo de 3.2V, si no lo hace, se alterará la resistencia interna de la batería, lo que dañará la batería de forma permanente y también podría provocar una explosión.
Voltaje de carga completa: el voltaje de carga para la celda de iones de litio es de 4.2V. Se debe tener cuidado de que el voltaje de la celda no aumente 4.2V en un momento dado.
Clasificación de mAh: la capacidad de una celda se da normalmente en términos de clasificación de mAh (miliamperios hora). Este valor variará según el tipo de celda que haya comprado. Por ejemplo, supongamos que nuestra celda aquí es de 2000 mAh, que no es más que 2 Ah (amperios / hora). Esto significa que si sacamos 2A de esta batería durará 1 hora y de forma similar si sacamos 1A de esta batería durará 2 horas. Entonces, si desea saber cuánto tiempo alimentará la batería su proyecto (tiempo de ejecución), debe calcularlo utilizando la clasificación mAh.
Tiempo de ejecución (en horas) = consumo actual / clasificación mAh
Donde, la corriente consumida debe estar dentro del límite de clasificación C.
Clasificación C: si alguna vez se preguntó cuál es la cantidad máxima de corriente que puede extraer de una batería, su respuesta se puede obtener de la clasificación C de la batería. La clasificación C de la batería cambia nuevamente para cada batería, supongamos que la batería que tenemos es una batería de 2Ah con clasificación 3C. El valor 3C significa que la batería puede generar 3 veces la clasificación de Ah nominal como su corriente máxima. En este caso, puede suministrar hasta 6 A (3 * 2 = 6) como corriente máxima. Normalmente, las celdas 18650 tienen una clasificación de 1C solamente.
Corriente máxima extraída de la batería = Clasificación C * Clasificación Ah
Corriente de carga: otra especificación importante de una batería a tener en cuenta es su corriente de carga. El hecho de que una batería pueda suministrar una corriente máxima de 6A no significa que pueda cargarse con 6A. La corriente de carga máxima de una batería se mencionará en la hoja de datos de la batería, ya que varía según la batería. Normalmente será de 0,5 ° C, lo que significa la mitad del valor de la clasificación Ah. Para una batería de 2 Ah, la corriente de carga será de 1 A (0,5 * 2 = 1).
Tiempo de carga: El tiempo de carga mínimo requerido para que se cargue una sola celda 18650 se puede calcular utilizando el valor de la corriente de carga y la clasificación Ah de la batería. Por ejemplo, una batería de 2 Ah que se carga con una corriente de carga de 1 A tardará aproximadamente 2 horas en cargarse, asumiendo que el cargador solo usa el método CC para cargar la celda.
Resistencia interna (IR): la salud y la capacidad de una batería se pueden predecir midiendo la resistencia interna de la batería. Esto no es más que el valor de la resistencia entre los terminales del ánodo (positivo) y del cátodo (negativo) de la batería. El valor típico de IR de una celda se mencionará en la hoja de datos. Cuanto más se desvíe del valor real, menos eficiente será la batería. El valor de IR para una celda 18650 estará en el rango de mili ohmios y hay instrumentos dedicados para medir el valor de IR.
Métodos de carga: hay muchos métodos que se practican para cargar una celda de iones de litio. Pero la más utilizada es la topología de 3 pasos. Los tres pasos son CC, CV y carga lenta. En el modo CC (corriente constante), la celda se carga con una corriente de carga constante variando el voltaje de entrada. Este modo estará activo hasta que la batería se cargue a un cierto nivel, luego el CV (voltaje constante)El modo comienza donde el voltaje de carga se mantiene típicamente en 4.2V. El modo final es la carga por pulsos o la carga lenta en la que se pasan pequeños pulsos de corriente a la batería para mejorar el ciclo de vida de la batería. También hay cargadores mucho más complejos que involucran 7 pasos de carga. No profundizaremos mucho en este tema, ya que está fuera del alcance de este artículo. Pero si está interesado en saber mencionarlo en la sección de comentarios, escribiré un artículo separado sobre la carga de las celdas de iones de litio.
Estado de carga (SOC)%: El estado de carga no es más que la capacidad de la batería, similar a las que se muestran en nuestro teléfono móvil. La capacidad de una batería no se puede calcular claramente con su válvula de voltaje, normalmente se calcula utilizando la integración de corriente para determinar el cambio en la capacidad de la batería a lo largo del tiempo.
Porcentaje de profundidad de descarga (DOD): El DOD indica cuánto se puede descargar la batería. Ninguna batería tendrá un 100% de descargas ya que como sabemos dañará la batería. Normalmente se establece una profundidad de descarga del 80% para todas las baterías.
Dimensión de la celda: otra característica única e interesante de la celda 18650 es su dimensión. Cada celda tendrá un diámetro de 18 mm y una altura de 650 mm, lo que hace que esta celda reciba su nombre 18650.
Si desea más definiciones de terminología, consulte la documentación de terminologías de baterías del MIT, donde seguramente encontrará más parámetros técnicos relacionados con una batería.
La forma más fácil de usar una celda 18650
Si es un novato y recién está comenzando con 18650 celdas para alimentar su proyecto, entonces la forma más fácil sería usar módulos listos para usar que puedan cargar y descargar de manera segura sus 18650 celdas. Solo ese módulo es el módulo TP4056 que puede manejar una sola celda 18650.
Si su proyecto requiere más de 3,6 V como voltaje de entrada, es posible que desee combinar dos celdas 18650 en serie para obtener un voltaje de 7,4 V. En tal caso, utilizar un módulo como el módulo de batería de iones de litio 2S 3A debería ser útil para cargar y descargar las baterías de forma segura.
Para combinar dos o más celdas 18650, no podemos usar la técnica de soldadura convencional para hacer la conexión entre ambas, sino que se usa un proceso llamado soldadura por puntos. Además, al combinar 18650 celdas en serie o en paralelo, se debe tener más cuidado, lo que se analiza en el siguiente párrafo.
Paquete de baterías de iones de litio (celdas en serie y en paralelo)
Para alimentar pequeños dispositivos electrónicos portátiles o dispositivos pequeños, una sola celda 18650 o como máximo un par de ellos en serie sería suficiente. En este tipo de aplicación la complejidad es menor ya que el número de baterías involucradas es menor. Pero para aplicaciones más grandes como un ciclo eléctrico / ciclomotor o un automóvil Tesla, necesitaremos conectar muchas de estas celdas en serie y en paralelo para lograr el voltaje y la capacidad de salida deseados. Por ejemplo, el automóvil Tesla contiene más de 6800 celdas de litio, cada una de 3,7 V y 3,1 Ah. La siguiente imagen muestra cómo está dispuesto dentro del chasis del automóvil.
Con esta gran cantidad de celdas para monitorear, necesitamos un circuito dedicado que pueda cargar, monitorear y descargar estas celdas de manera segura. Este sistema dedicado se llama Sistema de monitoreo de batería (BMS). El trabajo del BMS es monitorear el voltaje de la celda individual de cada celda de iones de litio y también verificar su temperatura. Aparte de eso, algunos BMS también monitorean la corriente de carga y descarga del sistema.
Cuando se combinan más de dos celdas para formar un paquete, se debe tener cuidado de que tengan la misma química, voltaje, clasificación Ah y resistencia interna. Además, mientras carga las celdas, el BMS se asegura de que se carguen y descarguen de manera uniforme, de modo que en un momento dado todas las baterías mantengan el mismo voltaje, esto se denomina Balance de celdas. Aparte de esto, el diseñador también tiene que preocuparse por enfriar estas baterías mientras se cargan y descargan, ya que no responden bien a altas temperaturas.
Espero que este artículo le haya proporcionado suficientes detalles para que se sienta un poco seguro con las celdas de iones de litio. Si tiene alguna duda específica, no dude en dejarla en la sección de comentarios y haré todo lo posible para responderle. Hasta entonces feliz retoques.