¿Cómo prolongar la vida útil de la batería de iones de litio?

Las baterías de iones de litio funcionan mediante la migración de iones entre electrodos positivos y negativos. En teoría, las baterías de iones de litio pueden funcionar todo el tiempo con este mecanismo. Sin embargo, con la extensión del tiempo, el rendimiento de la batería se degrada debido al aumento de temperatura y al envejecimiento de la batería debido al ciclo de carga y descarga. Los fabricantes han adoptado estimaciones conservadoras de que la mayoría de las baterías comerciales de iones de litio tienen una vida útil de entre 300 y 500 ciclos.

Sin embargo, no es práctico evaluar la vida útil de una batería por el número de ciclos porque puede haber descargas profundas durante la descarga y no existe un estándar claro para caracterizar el concepto de número de ciclos. Además de caracterizarse por el recuento de ciclos, algunos fabricantes de dispositivos recomiendan usar un sello de fecha para indicar cuándo reemplazar la batería, pero este método ignora las condiciones ambientales en el momento de su uso y tampoco es confiable. Una batería puede retirarse durante la vida útil del producto debido a condiciones de sobrecarga o temperatura, pero la mayoría de los paquetes de baterías tienen una vida útil que excede el tiempo especificado.

El rendimiento de la batería se caracteriza por la capacidad de la batería, que también es un importante indicador de seguridad de la batería. La resistencia interna y la autodescarga de la batería pueden afectar la capacidad de la batería, pero este efecto es insignificante para determinar la vida útil máxima de una nueva batería de iones de litio.

La Figura 1 muestra el deterioro de la capacidad de 11 baterías de polímero de litio en la prueba de ciclo de laboratorio de Cadex. Este teléfono móvil utiliza una batería tipo bolsa de 1500 mAh, cargada primero a 4,2 V a 1 ° C y luego completamente cargada a 0,05 ° C. Posteriormente, la batería se descargó a 3,0 V a una velocidad de 1 C y se repitió el ciclo. La caída de capacidad esperada de una batería de iones de litio durante un ciclo de más de 250 ciclos es consistente con la caída de capacidad medida.

Figura 1: después del ciclo de atenuación de la capacidad de la batería

La prueba de ciclo de 11 nuevas baterías de iones de litio fue realizada por el equipo de análisis de baterías Cadex C7400. La capacidad de todos los paquetes de baterías para la primera descarga fue del 88-94% de la capacidad inicial, y después de 250 ciclos, se atenuó al 73-84%. Y estos paquetes de baterías de 1500 mAh se utilizan en teléfonos móviles. (Datos proporcionados por Cadex)

Aunque la batería debería liberar el 100% de su capacidad durante el primer año de funcionamiento, por lo general es más baja que la capacidad dada y la batería no utilizada provocará una degradación de la capacidad. Y los fabricantes tienden a sobrecalibrar la capacidad de la batería porque saben que muy pocos consumidores se quejarán. Además, la mayoría de los teléfonos móviles o tabletas solo necesitan usar una sola batería, en lugar de requerir varios paquetes de baterías, lo que también proporciona un rango aceptable más amplio para el rendimiento de la batería y, por lo tanto, se ignoran algunas de las baterías más pobres.

Al igual que con los equipos mecánicos utilizados para sobrecargas, la descarga profunda también puede provocar una reducción en el número de ciclos de la batería. Por lo tanto, acortar el tiempo de descarga es ventajoso para prolongar la vida útil de la batería. Además, debemos evitar en la medida de lo posible descargar o cargar completamente la batería. La descarga incompleta es beneficiosa para las baterías de iones de litio. Las baterías de iones de litio no tienen efecto memoria y no requieren ciclos de descarga completos periódicos para prolongar la vida útil de la batería. Sin embargo, existen excepciones, como medidores de combustible o dispositivos inteligentes que deben calibrarse con regularidad.

La Tabla 2 compara los ciclos requeridos para que las baterías de iones de litio se carguen y descarguen con un 70% de reducción de capacidad. Otras variables como el voltaje de carga, la temperatura y la corriente de carga son las configuraciones predeterminadas.

El calor o el alto voltaje de carga también pueden suponer una mayor carga para la batería de iones de litio, 30 ℃ (86 ° F) para la mayoría de la batería de iones de litio tiene una temperatura más alta, más de 4.10 V / voltaje de celda de alto voltaje. La batería estará completamente cargada durante mucho tiempo expuesta a altas temperaturas que los ciclos de batería de iones de litio aumentan la presión. La Tabla 3 representa la pérdida de capacidad en función de la temperatura.

La mayoría de los iones de litio recargables a 4,20 V, al cargar el voltaje de corte de 0,1 V, el ciclo de vida de la batería se duplicará. Las baterías de iones de litio, por ejemplo, a 4,2 V, generalmente se pueden conectar entre 300 y 500 veces; Si el voltaje de corte de carga es de 4,10 V, la vida útil se puede extender a 600-1000 - ciclos; Ajustado a 4,00 V, el sistema de carga puede alcanzar 1200-2000 ciclos; Para 3,90 V, puede alcanzar 2400-4000 ciclos.

Sin embargo, un voltaje de carga bajo tiende a reducir la capacidad de la batería. Normalmente, cargue el voltaje de corte por cada 70mv, reduzca el 10%, la capacidad total reducirá la batería y aumentará al voltaje de corte, obtendría el 100% de la capacidad.

Para el ciclo de vida, el voltaje de carga óptimo para una batería de iones de litio es 3.92V. Los expertos en baterías creen que este umbral elimina todos los efectos adversos relacionados con el voltaje y, por debajo de este valor, puede tener otros efectos adversos en la batería. La Tabla 4 resume las condiciones de capacidad de la batería a diferentes niveles de carga, todos los valores son estimaciones.

Los teléfonos móviles, computadoras portátiles, tabletas y cámaras digitales usan el voltaje de carga del cargador de batería de iones de litio se establece en 4.2 V, esto también proporcionará la mayor capacidad, durante más tiempo, después de todo, es la primera opción para los consumidores. Por otro lado, para la fábrica, por su parte, la prioridad es la duración de la batería, y por ello tienden a optar por el umbral de baja tensión. Por ejemplo, satélites y coches eléctricos, la duración de la batería es mayor que la importancia de la capacidad.

Por razones de seguridad, muchos voltajes de carga de baterías de iones de litio no pueden exceder los 4,2 V (la excepción es la batería de material ternario de alta densidad de energía, que tiene un voltaje de carga de 4,3 V). Aunque los voltajes más altos aumentarán en gran medida la capacidad de la batería, los voltajes altos acortarán la vida útil y reducirán la seguridad. La figura 5 muestra la relación entre el número de ciclos y el voltaje de carga, donde el número de ciclos se reduce a la mitad a 4,35 V.

La figura 5 muestra la relación entre el número de ciclos y el voltaje de carga.

El aumento del voltaje de carga aumentará la capacidad de la batería, pero también reducirá la vida útil y la seguridad de la batería [de Choi et al. (2002)]

Además de seleccionar el umbral de voltaje óptimo para una condición dada, las baterías de iones de litio normalmente no deben operar a límites de voltaje más altos para lograr una vida útil más larga. Al igual que los músculos necesitan relajarse después de un ejercicio extenuante, una vez que la batería está completamente cargada, es necesario quitar la batería para restaurar el voltaje a un nivel natural. Aunque el cargador en funcionamiento dejará de cargarse automáticamente cuando la batería esté completamente cargada, algunos cargadores continuarán cargándose cuando el voltaje de terminación caiga a un valor determinado.

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