22 años de personalización de baterías
May 06, 2022 Pageview：1319
Las baterías de iones de litio se cargan más rápido, duran más y tienen una mayor densidad de energía para una mayor duración de la batería en un paquete más liviano.
Desde la invención de la primera batería o "pila voltaica" en 1800 por Alessandro Volta, las baterías han recorrido un largo camino para proporcionar energía a una lista interminable de dispositivos electrónicos portátiles que todos usamos a diario. La primera batería recargable fue inventada por Gaston Planté en 1859 y se la conocía como batería de plomo-ácido. En 1980, Sony comercializó la primera batería de iones de litio y esta nueva tecnología se ha vuelto popular en casi todos los dispositivos electrónicos portátiles, incluidos teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles y dispositivos portátiles. Una batería típica de iones de litio puede generar alrededor de 3,6 voltios por celda. Si está utilizando una batería de plomo-ácido de 12 voltios ahora, necesitará tres baterías de iones de litio para crear la misma salida de voltaje. Las baterías de iones de litio se cargan más rápido, duran más y tienen una mayor densidad de energía para una mayor duración de la batería en un paquete más liviano.
El peso de una batería de iones de litio depende del tamaño, la química y la cantidad de energía que contiene. Una celda típica pesa alrededor de 30-40 gramos. Las celdas se empaquetan juntas para formar un paquete de baterías para un dispositivo. Las baterías para computadoras, teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos portátiles a menudo contienen varias celdas en serie (positivo a negativo) o en paralelo (positivo a positivo).
Una batería de computadora portátil típica contiene seis celdas con una potencia nominal de 3,6 V cada una. Por ejemplo, un portátil Dell Inspiron 9100 tiene una batería de 11,1 V con una capacidad de unos 4400 mAh (4,4 Ah). Esto equivale a 6 x 3,6 V x 4,4 Ah = 100 Wh de energía o 1110 g de masa (2,5 lb).
Un paquete de 400 Whr pesaría alrededor de 4 kg (8 lb).
Como ya se mencionó, el peso de un paquete de baterías de iones de litio no es un número fijo. Varía según la capacidad de almacenamiento y el voltaje de las celdas del paquete. La forma más prometedora de aumentar la densidad de energía de las baterías es aumentar su voltaje, pero esto conlleva sus propias penalizaciones. Se puede crear una batería más pequeña y liviana agregando más celdas para aumentar el voltaje. El único problema es que más células significan más peso.
Como ejemplo, utilizaremos una celda de iones de litio 18650 común que se encuentra en muchas computadoras portátiles y vehículos eléctricos. Esta celda contiene aproximadamente 2 amperios por hora de carga a un voltaje típico de 3,6 V. Un automóvil eléctrico que necesita 100 kWh de energía requeriría 14 285 celdas para almacenar su carga solo en estas celdas con una eficiencia del 95 por ciento. Con un peso de alrededor de 50 gramos cada uno, esto totaliza hasta 714 kilogramos (1,574 libras).
Calculadora de peso de batería de iones de litio
Las baterías de iones de litio pueden pesar desde 3 g/Wh hasta 8 g/Wh. La batería típica de una computadora portátil pesa entre 80 y 120 Wh/kg, lo que significa que pesa entre 240 y 960 g (o 0,5 a 2 libras). La batería típica de un teléfono inteligente puede pesar alrededor de 20-40 g.
Esta calculadora de peso de batería de iones de litio es una herramienta extremadamente liviana y fácil de usar, que lo ayudará a encontrar el peso aproximado de una batería de iones de litio en función de su energía, densidad y volumen específicos. En este artículo, presentaremos una explicación de cómo funciona una calculadora. Esta calculadora le indicará el peso de la batería de su paquete de baterías de iones de litio. Puede ayudarlo a determinar si su batería es demasiado pesada o no lo suficientemente pesada. Para cada celda, ingrese los mAh y los voltios. Si no conoce los mAh y los voltios de su batería, consulte con su fabricante para conocer las especificaciones.
Como ingenieros, a menudo se nos pide que calculemos rápidamente el peso de un paquete de baterías. Si bien es fácil proporcionar un peso aproximado para químicas simples como el hidruro metálico de níquel (NiMH) y el ácido de plomo, la gran cantidad de formulaciones potenciales en la química de iones de litio hace que esto sea más difícil.
El primer paso para calcular el peso de un paquete de baterías de iones de litio es determinar su capacidad en amperios-hora (Ah). Por lo general, esto lo proporciona la especificación del producto para baterías listas para usar o dividiendo la energía total (en vatios-hora) por el voltaje nominal si se diseñan paquetes personalizados.
A continuación, debemos observar la energía específica de la química de nuestra batería. La siguiente tabla proporciona valores aproximados para formulaciones comunes:
Química de iones de litioEnergía Específica (Wh/kg)
Óxido de cobalto de litio (LCO)140 - 175
Óxido de manganeso de litio (LMO)115 - 145
fosfato de hierro y litio (LFP)95 - 120
Litio Níquel Manganeso Cobalto Óxido (NMC)115 - 150
Si está utilizando una batería lista para usar, es posible que su fabricante haya publicado información específica sobre energía. De lo contrario, podemos estimar un valor basado en nuestra química. Por ejemplo, una batería de Litio Óxido de Manganeso con un voltaje nominal de 3.6V y 120 Wh/kg de energía específica tendría 33 Ah de capacidad y pesaría 1kg.
Densidad de peso de la batería de iones de litio
La densidad de energía es un parámetro clave para las baterías. Esto se puede expresar en términos de energía específica (energía por unidad de masa) o densidad de energía (energía por unidad de volumen), pero para las baterías, las dos están estrechamente relacionadas.
No es inmediatamente obvio por qué la densidad de energía es importante, pero tenga en cuenta que un vehículo que funciona con gasolina tiene que transportar su combustible; si lleva más combustible, puede llegar más lejos. Entonces, al aumentar la densidad de energía de su combustible, puede hacer que un vehículo sea más liviano y eficiente. Lo mismo se aplica a un vehículo eléctrico: debido a que lleva su batería consigo, una batería de mayor densidad significa un vehículo más liviano.
Como ya hemos visto, las baterías de iones de litio tienen densidades de potencia mucho más altas que sus predecesoras. Pero también tienen energías específicas mucho más altas, normalmente 150 Wh/kg en comparación con los 50 Wh/kg de las baterías de plomo-ácido y los 70-90 Wh/kg de las de hidruro metálico de níquel.
De hecho, las energías específicas de las baterías de iones de litio son comparables a las de la gasolina. Entonces, ¿por qué los vehículos eléctricos no tienen rangos comparables a los vehículos de gasolina? Seguramente eso significaría que la gasolina tiene menos de la mitad de la energía específica de los iones de litio. No, resulta que los motores de gasolina modernos tienen una eficiencia de alrededor del 40 %, por lo que una celda con 150 Wh/kg podría dar a un vehículo eléctrico con una eficiencia del tren motriz del 60 % una autonomía comparable a la de un vehículo de gasolina.
La energía específica de la gasolina es de unos 12 kWh/kg, lo que representa una densidad energética volumétrica de unos 32 kWh/l. Las baterías de iones de litio tienen una densidad de energía de alrededor de 160 Wh/kg, lo que equivale a 0,16 kWh/kg.
Esta relación 12:0,16 se traduce en una densidad volumétrica equivalente de 76,8 kWh/l. El Tesla Model S tiene un paquete de baterías con una capacidad de 85 kWh y pesa 540 kg; esto le da una densidad de energía volumétrica de 0,39 kWh/l, alrededor del 5% del equivalente de la gasolina.
Entonces, ¿por qué los vehículos eléctricos tienen rangos significativamente más bajos que sus equivalentes de gasolina? No hay una razón fundamental por la que deban limitarse de esta manera: el problema es que los paquetes de baterías prácticos siguen siendo demasiado pesados y engorrosos para permitir que los vehículos eléctricos compitan con los de gasolina en el rango.
Esto no es solo una cuestión de tecnología: incluso si tuviéramos baterías con la misma densidad de energía que la gasolina (y no las tenemos), aún necesitaríamos encontrar formas de reducir el peso y el volumen que ocupan otros componentes en el automóvil: todo, desde los neumáticos hasta los ejes y los soportes del motor, debe ser mucho más liviano si queremos vehículos eléctricos que puedan desafiar a sus equivalentes de gasolina en términos de alcance.
Desglose del peso de la batería de iones de litio
Una batería de iones de litio se compone de varios componentes diferentes: el cátodo, el ánodo, el separador, el electrolito y el colector de corriente. La química del cátodo y el ánodo determina el tipo de celda de iones de litio (por ejemplo, LiCoO2, LiFePO4, etc.) y, por lo tanto, la capacidad, la capacidad de velocidad, las características de seguridad y el costo de la celda. La configuración de celda típica en un vehículo es prismática o cilíndrica con una capacidad entre 20 y 85 Ah.
El material del cátodo constituye aproximadamente el 30% de la masa de una celda de batería de iones de litio. El ánodo también constituye aproximadamente el 30% de la masa. El separador representa el 15%, mientras que el colector actual es algo menos del 10%. El electrolito (incluidos los aditivos) constituye aproximadamente el 2 % en masa y todo lo demás representa aproximadamente el 13 %.
El desglose del peso de un paquete de baterías de iones de litio es el siguiente (datos de Kokam):
Celular - 48%
Embalaje - 25%
Otros (cables, conectores, contactores, etc.) - 9%
Sistema de refrigeración - 5%
Sistema de gestión de batería - 5%
Hardware/Estructura de soporte - 4%
Sistemas de Seguridad - 2%
Varios (ventiladores, componentes eléctricos) - 2%
Conclusión
Las baterías de iones de litio a menudo se consideran el mejor tipo de batería recargable para dispositivos electrónicos portátiles. Tienen una de las mejores densidades de energía, sin efecto memoria y baja autodescarga. Por estas razones, las baterías de iones de litio se utilizan para una amplia gama de dispositivos electrónicos portátiles.
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