Comprender la degradación de las baterías de litio y cómo prevenirla

La tecnología de baterías de iones de litio impulsa aplicaciones industriales críticas, garantizando fiabilidad y eficiencia. Estas baterías dominan el mercado de baterías médicas con una cuota de mercado del 50,73 % en 2023 y se proyecta un crecimiento anual compuesto (CAGR) del 6,48 % entre 2024 y 2032. Su alta densidad energética y su larga vida útil las hacen indispensables para robótica , dispositivos de instrumentación y sistemas médicos portátiles . Sin embargo, los problemas de degradación gradual de las baterías de litio, como la pérdida de capacidad y el aumento de la resistencia, pueden interrumpir las operaciones y disparar los costes. Comprender los factores que impulsan la degradación de las baterías es esencial para mantener la eficiencia y evitar gastos innecesarios.

Conclusiones clave

• Mantenga las baterías de iones de litio cargadas entre el 20 % y el 80 %. Esto les ayuda a durar más y a funcionar mejor.

• Guarde las baterías con aproximadamente el 50 % de carga en un lugar fresco y seco. Esto reduce los daños y prolonga su vida útil.

• Utilice los sistemas de gestión de baterías (BMS) para comprobar el estado de la batería. Controle aspectos como su estado de salud (SOH) y la resistencia interna.

Parte 1: Causas de la degradación gradual en las baterías de litio

1.1 Desgaste químico y envejecimiento

El desgaste químico y el envejecimiento son uno de los principales factores que contribuyen a la degradación de las baterías de iones de litio. Con el tiempo, las reacciones químicas dentro de la batería dan lugar a la formación de una capa de interfase electrolítica sólida (ISE) en el ánodo. Si bien esta capa estabiliza la batería inicialmente, su crecimiento continuo consume iones de litio, lo que reduce su capacidad. Además, el recubrimiento de litio (un fenómeno en el que el litio se deposita en la superficie del ánodo) puede producirse con altas tasas de carga o bajas temperaturas, lo que acelera aún más la degradación.

Un estudio exhaustivo que analiza más de 3000 millones de puntos de datos de 228 celdas comerciales de iones de litio NMC/C-SiO destaca el impacto de estos mecanismos. El estudio midió la pérdida de capacidad y el crecimiento de la impedancia en diversas condiciones, como la temperatura y el estado de carga (SoC). Estos hallazgos subrayan la importancia de optimizar las estrategias operativas para mitigar el desgaste químico y prolongar la vida útil de la batería.

1.2 Degradación cíclica por carga y descarga

Los ciclos de carga repetidos son esenciales para el funcionamiento de las baterías de iones de litio, pero también contribuyen a su degradación gradual. Cada ciclo implica el movimiento de iones de litio entre el ánodo y el cátodo, lo que provoca tensión mecánica y cambios estructurales en los materiales de los electrodos. Con el tiempo, esto provoca la pérdida de material activo y litio, lo que reduce la capacidad y el rendimiento de la batería.

Los modelos basados en la física han sido fundamentales para comprender estos mecanismos de degradación. Predicen la vida útil restante (VRL) de las baterías de iones de litio y optimizan las condiciones operativas para minimizar el desgaste. Estos modelos también vinculan los modos de degradación, como la pérdida de inventario de litio (LLI), con sus efectos en el rendimiento de la batería.

• El análisis utiliza modelos basados en la física para identificar mecanismos de degradación en las baterías de litio.

• Estos modelos predicen la vida útil restante (RUL) y optimizan las condiciones operativas.

• El análisis del modo de degradación (DM) conecta los mecanismos de degradación con sus efectos, centrándose en métricas como la pérdida de inventario de litio (LLI) y la pérdida de material activo en los electrodos.

1.3 Envejecimiento del calendario: el impacto del tiempo

Incluso cuando no se utilizan, las baterías de iones de litio experimentan envejecimiento por calendario, lo que reduce gradualmente su capacidad con el tiempo. Este proceso se debe principalmente al crecimiento de la capa SEI y a la descomposición de los materiales electrolíticos. El envejecimiento por calendario se ve influenciado por factores como la temperatura, el estado de carga y las condiciones de almacenamiento.

Varios estudios han explorado los efectos del envejecimiento por calendario en las baterías de iones de litio. Por ejemplo, Naumann et al. (2020) analizaron los mecanismos de envejecimiento cíclico en celdas de LiFePO₄/grafito, mientras que Schmalstieg et al. (2014) desarrollaron un modelo holístico de envejecimiento para baterías NMC. Estos estudios proporcionan información valiosa sobre cómo el tiempo afecta la longevidad de las baterías y resaltan la importancia de unas prácticas adecuadas de almacenamiento y mantenimiento.

1.4 Factores ambientales: temperatura, humedad y almacenamiento inadecuado de baterías de iones de litio

Las condiciones ambientales influyen significativamente en el rendimiento y la longevidad de las baterías de iones de litio. Las altas temperaturas aceleran las reacciones químicas dentro de la batería, lo que acelera su degradación. Cargar a temperaturas superiores a 45 °C puede provocar una fuga térmica , una condición peligrosa que compromete la seguridad. Por el contrario, las bajas temperaturas reducen la movilidad de los iones de litio, lo que aumenta la resistencia interna y reduce la eficiencia de la batería.

La humedad y un almacenamiento inadecuado también son cruciales. El exceso de humedad puede corroer los componentes de la batería, mientras que el almacenamiento prolongado con altos niveles de carga puede agravar el envejecimiento de la batería. Mantener condiciones óptimas de almacenamiento, como un rango de temperatura de 15 °C a 25 °C y un nivel de carga parcial cercano al 50 %, puede ayudar a mitigar estos efectos.

• Las baterías de iones de litio funcionan de manera óptima a temperaturas moderadas, específicamente entre 20 °C (68 °F) y 25 °C (77 °F).

• Las altas temperaturas pueden provocar la degradación de la batería, especialmente cuando se carga a más de 45 °C.

• Las temperaturas extremas, ya sean calientes o frías, afectan negativamente el rendimiento y la longevidad de la batería.

Parte 2: Indicadores de degradación de la batería

2.1 Disminución de la capacidad: reducción del almacenamiento de energía a lo largo del tiempo

La pérdida de capacidad es uno de los signos más evidentes de la degradación de las baterías de iones de litio. Con el tiempo, la capacidad de la batería para almacenar energía disminuye, lo que reduce su autonomía y su eficiencia. Esto se debe a la pérdida de iones de litio activos y material de electrodos, esenciales para el almacenamiento de energía. En aplicaciones industriales como la robótica y los dispositivos médicos, la pérdida de capacidad puede interrumpir las operaciones y aumentar los costos de mantenimiento.

Monitorear la pérdida de capacidad es crucial para prolongar la vida útil de la batería. Medir regularmente la capacidad máxima de carga ayuda a identificar los primeros signos de degradación. Por ejemplo, una batería de iones de litio que inicialmente almacenó el 100 % de su capacidad nominal puede reducirse al 80 % después de varios cientos de ciclos. Esta disminución resalta la importancia del mantenimiento proactivo y de las prácticas de carga optimizadas para ralentizar la pérdida de capacidad.

2.2 Aumento de la resistencia interna y su impacto en el rendimiento

La resistencia interna es otro indicador crucial del estado de la batería. A medida que las baterías de iones de litio envejecen, su resistencia interna aumenta, lo que reduce su capacidad para suministrar energía eficientemente. Esto puede provocar una carga más lenta, sobrecalentamiento y problemas de rendimiento, especialmente en aplicaciones de alta demanda como vehículos eléctricos o equipos industriales.

Una resistencia interna alta suele indicar el fin de la vida útil de las baterías, especialmente en sistemas basados en níquel. Sin embargo, es fundamental monitorear los cambios de resistencia a lo largo del tiempo en lugar de comparar diferentes tipos de baterías. Un aumento de la resistencia también puede generar gradientes térmicos dentro de los paquetes de baterías, acelerando la degradación y reduciendo su vida útil. Comprender esta dinámica permite implementar mejores estrategias de gestión térmica y mantener un rendimiento constante.

2.3 Estado de salud (SOH): Métricas clave para monitorear los paquetes de baterías

El Estado de Salud (SOH) ofrece una visión general completa del estado de una batería de iones de litio. Mide su capacidad de rendimiento en comparación con sus especificaciones originales. Las métricas de SOH son vitales para los sistemas de gestión de baterías (BMS), ya que garantizan la seguridad y optimizan su vida útil.

Existen varios métodos para estimar el SOH:

• Métodos de medición directa, como la evaluación de la capacidad máxima o la resistencia interna.

• Métodos basados en modelos, incluidos modelos de circuitos electroquímicos y equivalentes.

• Métodos basados en datos, que analizan datos históricos de operaciones para predecir el SOH.

Al aprovechar estas técnicas, puede mejorar el rendimiento de la batería, prolongar su vida útil y prevenir fallos inesperados. En aplicaciones industriales, la monitorización precisa del SOH garantiza la fiabilidad y reduce el tiempo de inactividad, lo que la convierte en una herramienta indispensable para el mantenimiento de los sistemas de baterías de iones de litio.

Parte 3: Métodos efectivos para prevenir la degradación de la batería

3.1 Prácticas de carga óptimas: mantener niveles de carga entre el 20 % y el 80 %

Mantener un nivel de carga entre el 20 % y el 80 % es una de las maneras más efectivas de prolongar la vida útil de una batería de iones de litio. Esta práctica minimiza la tensión en los electrodos, preservando su integridad estructural y reduciendo el desgaste. Operar dentro de este rango previene las condiciones extremas que aceleran la degradación de la batería, como la sobrecarga o la descarga profunda.

• Mantener el nivel de carga entre el 20% y el 80% reduce la tensión en la batería.

• Este enfoque mejora la vida útil de la batería al evitar condiciones que provocan un desgaste rápido.

• Garantiza un rendimiento óptimo, especialmente para aplicaciones industriales como robótica y dispositivos médicos.

Por ejemplo, en robótica, donde el suministro de energía constante es crucial, respetar este rango de carga puede mejorar significativamente la eficiencia operativa. Al implementar estas prácticas, se puede garantizar una mejor gestión del estado de la batería y reducir los costos de mantenimiento a largo plazo.

3.2 Gestión de la temperatura: cómo evitar los extremos altos y bajos

La temperatura juega un papel crucial en el rendimiento y la longevidad de las baterías de iones de litio. Las altas temperaturas aceleran las reacciones químicas, lo que provoca una degradación más rápida. Cargar a temperaturas superiores a 45 °C aumenta el riesgo de fuga térmica, una condición peligrosa que compromete la seguridad. Por otro lado, las bajas temperaturas reducen la movilidad de las baterías de iones de litio, lo que aumenta la resistencia interna y disminuye la eficiencia.

Los estudios confirman que una gestión térmica eficaz puede ralentizar la degradación de las baterías de iones de litio. Por ejemplo:

• Los métodos de enfriamiento activo para celdas tipo bolsa reducen las tasas de degradación hasta tres veces.

• Las distribuciones de temperatura no uniformes dentro de las células crean gradientes de resistencia que provocan una degradación localizada.

Mantener un rango de temperatura de almacenamiento de 15 °C a 25 °C garantiza un rendimiento óptimo de la batería. En el caso de los paquetes de baterías industriales, la implementación de sistemas de ventilación eficaces y la monitorización de los límites de temperatura de carga pueden mejorar aún más la seguridad y la fiabilidad.

3.3 Cómo evitar descargas profundas y sobrecargas

Las descargas profundas y la sobrecarga son perjudiciales para la salud de las baterías de iones de litio. La sobredescarga puede causar depósitos irreversibles de cobre en los electrodos, lo que reduce su rendimiento. Por otro lado, la sobrecarga acelera el desgaste del material y reduce la estabilidad del ciclo.

Para evitar estos problemas:

• Utilice sistemas de gestión de batería (BMS) para supervisar los niveles de carga y evitar la sobrecarga.

• Evite los ciclos de descarga completa, ya que sobrecargan la batería y acortan su vida útil.

En aplicaciones industriales, como los instrumentos topográficos, mantener niveles de carga adecuados garantiza un rendimiento constante y reduce el tiempo de inactividad. Estas prácticas no solo prolongan la vida útil de la batería, sino que también mejoran la eficiencia operativa general.

3.4 Seguimiento de las directrices del fabricante para paquetes de baterías industriales

Seguir las instrucciones del fabricante es fundamental para optimizar el almacenamiento, el uso y la seguridad de las baterías de iones de litio. Estas instrucciones se adaptan a la composición química y el diseño específicos de la batería, garantizando así el cumplimiento de las normas y regulaciones de seguridad.

Si sigue estas pautas, podrá maximizar la eficiencia de los paquetes de baterías industriales y reducir la probabilidad de interrupciones operativas.

3.5 almacenamiento de baterías con niveles de carga parcial (alrededor del 50%)

El almacenamiento adecuado de las baterías de iones de litio es fundamental para su buen funcionamiento a largo plazo. Almacenar las baterías con un nivel de carga parcial, aproximadamente al 50%, minimiza la tensión en los electrodos y reduce el riesgo de degradación. Una investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers indica que mantener un estado de carga (SOC) del 50% puede prolongar la vida útil de la batería entre un 44% y un 130%.

Para el almacenamiento a largo plazo, asegúrese de que las baterías se mantengan en un ambiente fresco y seco con una temperatura estable. Evite almacenar las baterías con carga completa o en condiciones extremas, ya que estas prácticas aceleran su envejecimiento. Las prácticas seguras de almacenamiento de baterías son especialmente importantes para aplicaciones industriales, donde la fiabilidad y la longevidad son primordiales.

Comprender las principales causas de la degradación de las baterías es crucial para mantener su vida útil en aplicaciones industriales. Los hábitos operativos, los factores ambientales y el envejecimiento natural con el tiempo afectan significativamente su rendimiento.

El cuidado proactivo, como la carga óptima, la gestión de la temperatura y el almacenamiento adecuado de las baterías de iones de litio, puede mitigar estos efectos. Por ejemplo:

• La temperatura afecta significativamente la vida útil y el rendimiento de la batería.

• Las condiciones de frío reducen la capacidad y la eficiencia de la batería.

• Las altas temperaturas pueden aumentar el riesgo de daños y reducir la vida útil.

Los avances tecnológicos, incluidos los sistemas de monitorización en tiempo real, prolongan aún más la vida útil de las baterías al prevenir el sobrecalentamiento y optimizar su rendimiento. Al adoptar estas estrategias, puede garantizar el funcionamiento fiable y eficiente de las baterías de iones de litio en entornos industriales.

Preguntas frecuentes

1. ¿Cómo se puede supervisar eficazmente el estado de las baterías de iones de litio?

Puede utilizar sistemas de gestión de baterías (BMS) para monitorizar métricas como el estado de salud (SOH), la capacidad y la resistencia interna. Estos sistemas garantizan la seguridad y optimizan el rendimiento.

2. ¿Cuál es la condición ideal de almacenamiento para las baterías de iones de litio?

Almacene las baterías a una temperatura de 20 °C a 25 °C con un nivel de carga del 50 %. Evite temperaturas extremas y humedades altas para minimizar la degradación. Obtenga más información sobre el almacenamiento de baterías de iones de litio .

3. ¿Qué tipo de batería de litio ofrece el ciclo de vida más largo para aplicaciones industriales?

Las baterías de litio LiFePO4 ofrecen entre 2000 y 5000 ciclos, lo que las hace ideales para uso industrial. Su densidad energética oscila entre 100 y 180 Wh/kg, lo que garantiza su fiabilidad y longevidad. Explore las soluciones de alta potencia .