Carga de Baterias Li ION | Los mejores métodos de carga

Carga y descarga de celdas / baterías de Li-ion

Descubra cómo prolongar la vida útil de su batería utilizando los mejores métodos de carga

Al cargar y descargar baterías se produce una reacción química, pero con los iones de litio hay una excepción. Los científicos hablan de las energías que fluyen dentro y fuera de la batería como parte del movimiento de iones entre el ánodo y el cátodo. Si los científicos tuvieran razón, según esta afirmación la batería viviría para siempre pero no es así. Ellos culpan al desvanecimiento de los iones que quedan atrapados, pero como con todos los sistemas de batería, la corrosión interna y otros efectos degenerativos también conocido como reacciones parasitarias en el electrolito y electrodos, juegan un papel importante.

El cargador de iones de litio es un dispositivo limitador de voltaje que tiene similitudes con el sistema de las baterías de plomo-ácido. Las diferencias con las de Li-ion se encuentran en un voltaje más alto por celda, tolerancias de voltaje más estrictas y la ausencia de carga de goteo o flotación a plena carga. Mientras que el ácido de plomo ofrece cierta flexibilidad en términos de voltaje cortado, los fabricantes del Li-ion son muy determinantes en el ajuste correcto porque el Li-ion no puede aceptar ninguna sobrecarga. El llamado "cargador milagroso" que promete prolongar la vida de la batería y aumentar la capacidad extra no existe. El sistema Li-ion es un sistema "limpio" y sólo toma lo que puede absorber.

Cargando baterias de cobalto mezclado con Li-ion

Concretamente nos referimos a baterías de Li-ion fabricados con los materiales de cátodo tradicionales de cobalto, níquel, manganeso y aluminio de carga típicamente a 4.20V / célula. La tolerancia es +/- 50mV / célula. Algunas variedades basadas en níquel se cargan a 4.10V /por célula; los de alta capacidad Li-ion puede ir a 4.30V / por celda. Al aumentar el voltaje también se aumenta la capacidad, pero ir más allá de la especificación puede sobrecargar la batería. Los circuitos de protección incorporados en el paquete no permiten exceder el voltaje establecido.

La figura 1 muestra la variación de tensión y corriente cuando el ión de litio pasa a través de las fases de corriente. La carga total se alcanza cuando la corriente disminuye a entre 3% y 5% de la calificación de Ah.

Figura 1: Etapas de carga de iones de litio. Li-ion está completamente cargado cuando la corriente cae a un nivel establecido. En lugar de la carga de goteo, algunos cargadores aplican una carga cuando el voltaje cae.

Cortesía de Cadex

La oscilación de temperatura en la carga de una celda de energía está entre 0.5C y 1C y el tiempo de carga completa es de aproximadamente de 2-3 horas. Los fabricantes de estas celdas recomiendan cargar a 0.8C o menos para prolongar la duración de la batería. La mayoría de las células de energía pueden tomar un cargador más potente. La eficiencia de la carga es de alrededor del 99% y la celda permanece fresca durante la carga.

Algunas baterías de Li-ion pueden experimentar un aumento de temperatura de aproximadamente 5ºC cuando alcanzan la carga completa. Suspenda el uso de la batería o del cargador si la temperatura sube más de 10ºC bajo velocidades de carga moderadas.

La carga completa ocurre cuando la batería alcanza el umbral de voltaje y la corriente cae al 3% de la corriente nominal. Una batería también se considera cargada completamente si los niveles se apagan y no pueden bajar más.

Un aumento de la corriente de carga no adelanta una carga completa. Aunque la batería alcanza el pico de voltaje más rápido, en consecuencia la carga de saturación tardará más. Con una corriente más alta, la Etapa 1 es más corta, pero la saturación durante la Etapa 2 tomará más tiempo. Una carga de corriente elevada, sin embargo, llenará rápidamente la batería a aproximadamente un 70%.

Una batería Li-ion no necesita ser completamente cargada como es el caso con plomo ácido, ni es deseable hacerlo. De hecho, es mejor no cargarla completamente porque un alto voltaje sobrecarga la batería. La elección de un umbral de voltaje más bajo o la eliminación de la carga de saturación por completo, prolonga la vida de la batería, pero esto reduce el tiempo de ejecución. Los cargadores de otros productos van a la capacidad máxima y no se pueden ajustar; con lo que la vida útil del producto en sí se percibe con menor importancia.

Algunos cargadores de bajo costo para el consumidor pueden usar el método simplificado de "cargar y ejecutar" que carga una batería de iones de litio en una hora o menos sin pasar a la carga de saturación de la Etapa 2. "Listo" aparece cuando la batería alcanza el umbral de voltaje en la Etapa 1. El estado de carga (SoC) en este punto es aproximadamente del 85%, un nivel que puede ser suficiente para muchos usuarios.

Algunos cargadores industriales fijan a propósito más bajo el umbral de voltaje de carga para prolongar la vida de la batería. La Tabla 2 ilustra las capacidades estimadas cuando se cargan a diferentes umbrales de voltaje con y sin carga de saturación.

Tabla 2: Características típicas de la carga de iones de litio. La adición de la saturación completa a la tensión ajustada incrementa la capacidad en aproximadamente un 10%, pero añade tensión debido al alto voltaje.

Cuando la batería se pone en carga, el voltaje se dispara rápidamente. La capacidad se pondrá al día cuando la batería esté casi completamente cargada (Figura 3). Esta característica es la típica en todas las baterías. Cuanto mayor sea la corriente de carga, mayor será este efecto. Las temperaturas frías o la carga de una celda con una alta resistencia interna amplifican el efecto.

Figura 3: Voltios / Capacidad frente al tiempo de carga de iones de litio.
La capacidad arrastra el voltaje de carga, sería parecido a levantar un peso pesado con una banda de goma.

Cortesía de Cadex

Medir el voltaje de un circuito abierto (OCV) después de que la batería ha descansado durante unas horas es el mejor indicador. Al igual que con todas las baterías, la temperatura afecta al OCV, lo mismo ocurre con el material activo de Li-ion.

Las baterías Li-ion no deben sobrecargarse. Cuando están completamente cargadas, la corriente de carga debe cortarse.

Una vez terminada la carga, el voltaje de la batería comienza a caer. Esto alivia la tensión. Con el tiempo, el voltaje de circuito abierto se asentará entre 3.70V y 3.90V / célula. Tenga en cuenta que una batería de iones de litio que ha recibido una carga totalmente saturada mantendrá el voltaje elevado durante más tiempo que uno que no ha recibido una buena carga.

Cuando las baterías de iones de litio se dejan puestas con el cargador, algunos cargadores aplican una carga de relleno breve para compensar la pequeña auto-descarga de la batería que consume su circuito de protección. El cargador puede fallar cuando el voltaje de circuito abierto cae a 4.05V / célula y llegar de nuevo a 4.20V / célula. Los cargadores hechos para la preparación operativa, o el modo espera, dejan a menudo el voltaje de la batería caer a 4.00V / cell y recargan a solamente 4.05V / cell en vez de los 4.20V / cell llenos. Esto reduce el estrés relacionado con el voltaje y prolonga la duración de la batería.

Algunos dispositivos portátiles se encuentran ya con una base de carga mientras están encencidos. La corriente atravesada por el dispositivo se denomina carga parasitaria y puede distorsionar el ciclo de carga. Los fabricantes de baterías avisan contra las cargas parasitarias porque inducen mini-ciclos. Esto no siempre se puede evitar y un portátil conectado a la red principal de CA es un caso así. La batería puede cargarse a 4.20V / cell y luego descargarse por el dispositivo. El nivel de tensión en la batería es alto porque los ciclos se producen en el umbral de alta tensión, a menudo también a temperatura elevada.

Un dispositivo portátil debe apagarse durante la carga. Esto permite que la batería alcance el umbral de voltaje establecido y el punto de saturación de corriente sin obstáculos. Una carga parásita confunde el cargador presionando el voltaje de la batería y evitando que la corriente en la etapa de saturación caiga lo suficientemente baja dibujando una corriente de fuga. Una batería puede estar completamente cargada, pero las condiciones prevalecientes provocan una carga continua, causando estrés.

Cargando baterías de Li-ion sin cobalto

Mientras que el litio-ion tradicional tiene un voltaje nominal de la célula de 3.60V, el Li-fosfato (LiFePO) tiene un voltaje nominal de 3.20V y carga a 3.65V. Relativamente nuevo es el Li-titanate (LTO) con un voltaje nominal de célula de 2.40V y carga a 2.85V.

Los cargadores para estos iones Li no basados en cobalto no son compatibles con Li-ion regular de 3,60 voltios. Deben identificarse bien los cargadores más adecuados para que esto proporcione una correcta carga. Una batería de litio de 3,60 voltios en un cargador diseñado para Li-fosfato no recibiría suficiente carga; Un Li-fosfato en un cargador regular podría causar sobrecarga.

Sobrecarga de iones de litio

El ion de litio opera de una forma segura dentro de los voltajes de funcionamiento designados; sin embargo, la batería se vuelve inestable si se carga con una tensión superior a la especificada. Con una carga prolongada por encima de 4.30V en un Li-ion diseñado para 4.20V / célula placa de litio metálico en el ánodo, el material catódico se convierte en un agente oxidante, pierde estabilidad y produce dióxido de carbono (CO2). La presión de la célula aumenta y si se permite que la carga continúe, el dispositivo de interrupción actual (CID) responsable de la seguridad de la célula se desconecta a 1.000-1.380 kPa (145-200 psi). Si la presión sube aún más, la membrana de seguridad en algunas ráfagas de iones de litio se abren a aproximadamente 3.450 kPa (500 psi) y la célula podría producir una combustión por haber alcanzado una temperatura elevada.

Una batería completamente cargada tiene una temperatura térmica baja y se ventilará antes que una que esté parcialmente cargada. Todas las baterías a base de litio son más seguras a una carga menor, y es por eso que las autoridades exigirán el envío aéreo de Li-ion al 30% de estado de carga en lugar de a plena carga.

El umbral de una batería de Li-cobalto a plena carga es de 130-150ºC (266-302ºF); para las baterías de Níquel-manganeso-cobalto (NMC) es 170-180ºC (338-356ºF) y para la de Li-manganeso es de unos 250ºC (482ºF). El Li-fosfato goza de estabilidades de temperatura similares y mejores que el manganeso.

El ión de litio no es la única batería que representa un peligro para la seguridad si se sobrecarga. También se sabe que las baterías a base de plomo y níquel se funden y causan incendios si se manejan incorrectamente. Un equipo de carga correctamente diseñado y elegido es primordial para un buen funcionamiento de baterías.

Resumen

Cargar las baterías de iones de litio es más sencillo que los sistemas basados en níquel. El circuito de carga es directo; las limitaciones de voltaje y corriente son más fáciles de acomodar que otras formas de voltaje complejo, que cambian a medida que la batería envejece. El proceso de carga puede ser intermitente, y los Li-ion no necesitan saturación como es el caso del plomo ácido. Esto ofrece una gran ventaja para el almacenamiento de energía renovable, como un panel solar y una turbina eólica, que no siempre puede cargar completamente la batería. La ausencia de carga de goteo simplifica aún más el cargador.

El consumidor y la mayoría de los cargadores industriales del Li-ion cargan completamente la batería. No ofrecen voltajes ajustables de fin de carga que prolongarían la vida útil del Li-ion reduciendo el voltaje de carga final y propiciando un tiempo de funcionamiento más corto. Los fabricantes de dispositivos temen que tal opción complique el cargador. Las excepciones son los vehículos eléctricos y los satélites que evitan la carga completa para lograr una larga vida útil.

Directrices sencillas para cargar las pilas de litio

Apague el dispositivo o desconecte la carga para permitir que la corriente caiga sin obstáculos durante la saturación.
Carga a una temperatura moderada. No cargue a temperatura de congelación.
El ión de litio no necesita estar completamente cargado; una carga parcial es mejor.
No todos los cargadores aplican una carga de llenado completa y por eso la batería puede no estar completamente cargada cuando aparece la señal "listo"; Una carga del 100% en el indicador puede ser una mentira.
Suspenda el uso del cargador y / o de la batería si la batería se calienta excesivamente.
Aplique algo de carga a una batería vacía antes de almacenarla (el 40-50%).

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