viernes, 25 de abril de 2014

Baterías de Ion-Litio: conceptos, funcionamiento, mantenimiento y trucos - PARTE I


DEFINICIÓN E INTRODUCCIÓN:
Los acumuladores, tanto de nuestros ordenadores portátiles como de smartphones y tables, e incluso otros dispositivos móviles, son aquel elemento que almacena energía eléctrica para que el equipo funcione sin estar enchufado constantemente. Existen distintos tipos, como las pilas (compuestas normalmente por una celda), los condensadores o supercondensadores y las baterías (compuestas de varias celdas agrupadas).
Las baterías pueden tener diversas tecnologías en sus celdas electroquímicas y pueden ser de: NiCd, NiMH, Zinc-Aire, Li-Ion, etc. Según su tecnología podemos encontrar celdas primarias y celdas secundarias. Las primarias son aquellas que transforman la energía química en eléctrica de manera “irreversible”. En cambio, las secundarias pueden ser recargadas de nuevo y son las aptas para nuestras baterías.

Las celdas aportan energía eléctrica gracias a un proceso conocido como REDOX (reducción-oxidación) en el que uno de los materiales que compone la celda se oxida (pierde) y el otro se reduce (gana electrones). Los materiales podrían volver a su estado inicial bajo ciertas circunstancias que se producen durante la carga de la batería.

DISTINTOS TIPOS:
Cada celda consta de dos electrodos del mismo o distinto material y de un electrolito en el que están sumergidos. Y mucho han avanzado en complejidad y prestaciones desde que Alessandro Volta inventara la pila en 1800 o el acumulador eléctrico creado 3 años después por Johann Wilhelm Ritter. Muchos materiales se han empleado desde entonces: ácido-plomo, pila-seca (con electrodos de cinc y carbono, y yeso o cartón como electrolito),mercurio y otros metales pesados altamente tóxicos y contaminantes, NiCd (Niquel-Cadmio para los electrodos y hidróxido de potasio para el electrolito), Fe-Ni (con electrolito de hidróxido de potasio), alcalinas (con cátodo de dióxido de manganeso y ánodo de cinc, con electrolito alcalino), NiMH (níquel metal hidruro), las de litio (pila de litio con cátodo con sustancias como: sulfuro de hierro, dióxido de manganeso, dióxido de azufre, cloruro de tionilo, monofluoruro de carbono,…) y finalmente las de iones de litio (con su variante de Ion-Li y Polimero).
Aquí tenéis algunas de las propiedades de las baterías recargables más usuales:
  • Plomo-ácido: con dos electrodos de plomo (sulfuro de plomo o PbSO4) y electrolito de ácido sulfúrico. Son recargables en cierta medida, ya que cuando se produce la cristalización en el sulfuro dejan de responder adecuadamente. Son muy baratas y fáciles de fabricar, pero contaminantes, pesadas y con baja densidad de energía (30 Wh/kg). Empleadas sobre todo en automoción y sistemas fotovoltaicos.
  • Ni-Fe: las de ferroníquel, ideadas por Thomas Alba Edison, tienen electrodos de acero niquelado (el cátodo relleno de hidróxido de níquel o NiOOH y el ánodo de óxido ferroso en polvo o FeO) y un electrolito liquido de potasa cáustica o KOH (20%) disuelto en agua (80%). Sus ventajas son similares a las de plomo-ácido, pero no es contaminante, no contiene metales pesados, su vida es más prolongada y el electrolito se puede reciclar y destinar al sector agrícola. Pero su eficiencia solo es del 65% y su densidad de energía de 40 Wh/kg.
  • Ni-Cd: con cátodo de hidróxido de níquel, ánodo de cadmio y electrolito de hidróxido de potasio. Su densidad de energía sigue siendo baja, unos 50Wh/kg y tiene un efecto memoria muy alto. Como ventajas, que admite sobrecarga y que funciona en un amplio rango de temperaturas.
  • Ni-MH: con un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de alguna aleación de hidruro metálico. Poco afectada por el efecto memoria y con densidad de energía de 80 Wh/kg. No admite bien el frío y su entrega de potencia bajo dichas condiciones es deficiente.     
Actualmente las más usadas en todos los aparatos son las de iones de litio por sus ventajas.  Aparecen por primera vez en los 80, cuando John B. Goodenough y su equipo de investigación (Sony) consiguieron crearlas. En 1996 se crea una variante, la de polímero, que sustituye al anterior electrolito por un polímero solido compuesto y electrodos y separador laminados (estas celdas son flexibles). Cuyas propiedades son:
  • Ion-Li: con ánodo de grafito y cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u óxido de manganeso. En el electrolito líquido hay iones de lítico que serán los encargados de aportar energía. Apenas sufre efecto memoria, consiguen altas densidades de energía (115Wh/kg), se pueden cargar sin necesidad de estar totalmente descargadas y sin reducción de su vida útil. La temperatura es un punto flaco, ya que a altas temperaturas comienzan a perder eficiencia. Tampoco toleran bien las descargas completas y sufren daños.
  • LiPo: las de polímero son similares a las anteriores, pero con mejor densidad de energía y una tasa de descarga superior. Pero los estragos cuando se descargan completamente son altos, pudiendo quedar casi inutilizadas.

Otras baterías han aparecido, como las de Ion-Metal (aluminio, potasio o sodio) o las de zinc-aire, pero son menos comunes. Por eso no las detallo aquí…


CARACTERÍSTICAS:
Las características típicas de una celda o acumulador y las que tendremos que analizar para elegir una buena batería para nuestro fin son:
  • Tensión o voltaje (V): se mide en voltios y nos muestra la capacidad voltaica de una celda o batería completa. Depende del proceso de REDOX y normalmente están entre 1v y 4v, dependiendo de la tecnología y tipo de celda. Mientras mayor sea, mayor la potencia del equipo. Por poner un ejemplo gráfico, si conectamos una batería de más voltaje a un motor eléctrico, este girará a más RPM.
  • Corriente o intensidad (A): se mide en amperios o en ocasiones en mA (miliamperios), y nos puede dar una idea de sus prestaciones. Por ejemplo, si nuestra meta es mover un motor eléctrico con una batería y queremos que este tenga mayor par, lo mejor es seleccionar una batería con más intensidad.
  • Potencia: depende de la intensidad y de la resistencia interna. Indica la capacidad de una celda para suministrar energía por unidad de tiempo. Se ve limitada por la temperatura, debido a la variación de la resistencia interna (aunque se mantengan la corriente constante).
  • Capacidad de carga (Ah): muy importante, ya que muestra la capacidad de entregar carga con respecto al tiempo. Se mide en Amperios-Hora o en algún submúltiplo de estos. Por ejemplo, una batería de 1300mAh quiere decir que puede entregar 1.3A durante una hora, así que mientras mayor sea esta unidad, más durará la batería antes de descargarse.
  • Capacidad (Culombio o Ah): se puede medir en Culombios o en Ah, pero en este caso hace referencia a los tiempos de carga y descarga.
  • Energía (J o Wh): se mite en vatios por hora o en Julios y expresa la energía que puede suministrar la celda o batería. Depende de la capacidad de la batería y de la potencia (ligada a su vez a la intensidad y voltaje).
  • Resistencia interna (Ω): de ella depende la intensidad de carga que pueda suministrar una batería. Las celdas de plomo-ácido rondan los 0´006 ohmios, 0´009 para las de Ni-Cd. La resistencia interna varía de valor con respecto a la temperatura (concretamente disminuye al aumentar la temperatura), por eso ciertas baterías padecen el calor y lo reflejan en sus prestaciones.
  • Tolerancia a la temperatura: entre las distintas celdas y materiales, hay algunas como vimos que toleran mejor las temperaturas extremas que otras. Si la batería va a trabajar en entornos hostiles en este sentido, conviene asegurarnos de que funcionará en un rango de temperatura requerido. Por ejemplo, una batería de Li-Ion puede autodescargarse más rápidamente con forme se eleva la temperatura, pudiendo llegar a perdidas de carga del 0´3% al día a 21°C, casi un 0´6% a 40ºC y un 1´2% a 60ºC.
  • Energía específica (Wh/kg) y Densidad de energía (Wh/l): es la relación entre el peso y la energía almacenada de una celda o batería, y entre la capacidad energía almacenada y el volumen. Se puede medir en Wh con respecto a los kilogramos o a los litros. Mientras mayor sea, más pequeña y ligera podrá ser la batería, algo muy a tener en cuenta en aparatos delgados o en baterías para motosport.
  • Densidad de potencia (W/l) y Potencia espefícica (W/kg): es la cantidad de vatios por unidad de peso o volumen, que puede suministrar la batería. Estas tienen similitudes con las anteriores.
  • Rendimiento: es la relación entre la energía recibida durante la carga de la batería y la entregada durante su utilización. Por ejemplo, las de plomo pueden llegar al 90%, las de Ni-Cd al 83% y las de Ion-Li de 80-90%. Esto quiere decir que ese % de energía de la que se suministró para cargar la batería, será entregada (útil) y no se perderá en forma de calor.
  • Constante de carga/descarga C: es una variable ideada por los fabricantes para marcar la intensidad de corriente óptima a la que puede cargarse y descargarse la batería sin sufrir daños. Se puede calcular dividiendo la capacidad en mAh entre 1000. Así por ejemplo una batería de Ion-Li de 1800mAh tendrá una C de 1´8, lo cual quiere decir que el cargador de dicha batería no debe superar los 1´8A para no dañarla.
  • Efecto memoria: es un fenómeno no deseado que afecta a las baterías y que consiste en que cada vez que se recarga la batería, esta irá perdiendo capacidad o voltaje al formarse cristales en sus celdas electroquímicas. Las causas, además del tipo de tecnología empleada, están relacionadas con tiempos de carga prolongados más allá del tope, altas temperaturas y cargas con corrientes elevadas. Una temperatura ambiente elevada y  una depresión del voltaje por sobrecarga pueden causar síntomas similares al efecto memoria pero transitorios.
  • Durabilidad de ciclos: está ligado a lo anterior y a otros parámetros, indica la cantidad de ciclos soportados de carga/descarga. Por ejemplo, las modernas baterías de Ion-Li pueden durar entre 400 y 1200 ciclos hasta su defunción. 


LEER PARTE II (disponible a partir del 28/04/2014)