La batería es el componente electrónico más importante de su hardware. Pero, ¿cómo asegurarse de elegir la batería de iones de litio personalizada y adecuada para su hardware?
Este artículo incluye dos partes para demostrar la pregunta. La parte 1 analiza las consideraciones importantes al seleccionar la batería adecuada para una aplicación de consumo. Estos incluyen recargabilidad, densidad de energía, densidad de potencia, vida útil, seguridad, factor de forma, costo y flexibilidad. La parte 2 analizará cómo la química afecta importantes métricas de la batería y, por lo tanto, la selección de la batería para su aplicación. En la parte 3 veremos las químicas comunes de las baterías secundarias.
ALGUNAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES EN LA SELECCIÓN DE LA BATERÍA SON:
1. Primaria versus secundaria: una de las primeras opciones en la selección de baterías es decidir si la aplicación requiere baterías primarias (de un solo uso) o secundarias (recargables). En su mayor parte, esta es una decisión fácil para el diseñador. Las aplicaciones con uso intermitente ocasional (como una alarma de humo, un juguete o una linterna) y aplicaciones desechables en las que la carga resulta poco práctica justifican el uso de una batería primaria. Los audífonos, los relojes (a excepción de los relojes inteligentes), las tarjetas de felicitación y los marcapasos son buenos ejemplos. Si la batería se va a utilizar de forma continua y durante largos períodos de tiempo, como en un ordenador portátil, un teléfono móvil o un reloj inteligente, es más adecuada una batería recargable.
Las baterías primarias tienen una tasa de autodescarga mucho menor, una característica atractiva cuando no es posible o práctico cargarlas antes del primer uso. Las baterías secundarias tienden a perder energía a un ritmo mayor. Esto es menos importante en la mayoría de las aplicaciones debido a la capacidad de recargar.
2. Energía versus potencia: el tiempo de ejecución de una batería está dictado por la capacidad de la batería expresada en mAh o Ah y es la corriente de descarga que una batería puede proporcionar con el tiempo.
Al comparar baterías de diferente química, es útil observar el contenido de energía. Para obtener el contenido energético de una batería, multiplique la capacidad de la batería en Ah por el voltaje para obtener energía en Wh. Por ejemplo, una batería de hidruro metálico de níquel con 1,2 V y una batería de iones de litio con 3,2 V pueden tener la misma capacidad, pero el voltaje más alto de la batería de iones de litio aumentaría la energía.
El voltaje de circuito abierto se usa comúnmente en cálculos de energía (es decir, voltaje de la batería cuando no está conectada a una carga). Sin embargo, tanto la capacidad como la energía dependen en gran medida de la tasa de drenaje. La capacidad teórica está dictada únicamente por los materiales de los electrodos activos (química) y la masa activa. Sin embargo, las baterías prácticas alcanzan sólo una fracción de los números teóricos debido a la presencia de materiales inactivos y limitaciones cinéticas, que impiden el uso completo de materiales activos y la acumulación de productos de descarga en los electrodos.
Los fabricantes de baterías suelen especificar la capacidad a una velocidad de descarga, temperatura y voltaje de corte determinados. La capacidad especificada dependerá de los tres factores. Al comparar las clasificaciones de capacidad de los fabricantes, asegúrese de observar las tasas de drenaje en particular. Una batería que parece tener una alta capacidad en una hoja de especificaciones puede en realidad funcionar mal si el consumo de corriente para la aplicación es mayor. Por ejemplo, una batería de 2 Ah para una descarga de 20 horas no puede entregar 2 A durante 1 hora, sino que solo proporcionará una fracción de la capacidad.
Las baterías de alta potencia proporcionan una capacidad de descarga rápida a altas tasas de consumo, como en herramientas eléctricas o aplicaciones de baterías de arranque de automóviles. Normalmente, las baterías de alta potencia tienen bajas densidades de energía.
Una buena analogía entre potencia y energía es pensar en un cubo con un pico. Un balde más grande puede contener más agua y es similar a una batería con mucha energía. El tamaño de la abertura o del pico por el que sale el agua del cubo es similar a la potencia: cuanto mayor es la potencia, mayor es la tasa de drenaje. Para aumentar la energía, normalmente aumentaría el tamaño de la batería (para una química determinada), pero para aumentar la potencia se disminuye la resistencia interna. La construcción de celdas juega un papel muy importante en la obtención de baterías con alta densidad de potencia.
Debería poder comparar densidades de energía teóricas y prácticas para diferentes químicas de los libros de texto sobre baterías. Sin embargo, debido a que la densidad de potencia depende en gran medida de la construcción de la batería, rara vez encontrará estos valores en la lista.
3. Voltaje: el voltaje de funcionamiento de la batería es otra consideración importante y está dictado por los materiales de los electrodos utilizados. Una clasificación útil de las baterías aquí es considerar las baterías acuosas o a base de agua versus las químicas basadas en litio. El plomo ácido, el zinc-carbono y el hidruro metálico de níquel utilizan electrolitos a base de agua y tienen voltajes nominales que oscilan entre 1,2 y 2 V. Las baterías a base de litio, por otro lado, utilizan electrolitos orgánicos y tienen voltajes nominales de 3,2 a 4 V (tanto primarios como secundario).
Muchos componentes electrónicos funcionan a un voltaje mínimo de 3 V. El voltaje operativo más alto de los productos químicos basados en litio permite utilizar una sola celda en lugar de dos o tres celdas acuosas en serie para obtener el voltaje deseado.
Otra cosa a tener en cuenta es que algunas químicas de baterías, como la de zinc MnO2, tienen una curva de descarga inclinada, mientras que otras tienen un perfil plano. Esto influye en la tensión de corte (Fig. 3).
Figura 3: Gráfico de voltaje basado en la química de la batería
Batería de trazado de voltaje de alimentación VTC en química
4. Rango de temperatura: la química de la batería dicta el rango de temperatura de la aplicación. Por ejemplo, las celdas de zinc-carbono basadas en electrolitos acuosos no se pueden utilizar por debajo de 0°C. Las pilas alcalinas también presentan una fuerte disminución de su capacidad a estas temperaturas, aunque menos que las de zinc-carbono. Las baterías primarias de litio con electrolito orgánico pueden funcionar hasta -40°C, pero con una caída significativa en el rendimiento.
En aplicaciones recargables, las baterías de iones de litio se pueden cargar a su velocidad máxima sólo dentro de un margen estrecho de aproximadamente 20° a 45°C. Más allá de este rango de temperatura, es necesario utilizar corrientes/voltajes más bajos, lo que da como resultado tiempos de carga más largos. A temperaturas inferiores a 5 °C o 10 °C, es posible que sea necesaria una carga lenta para evitar el temido problema del revestimiento dendrítico de litio, que aumenta el riesgo de fuga térmica (todos hemos oído hablar de baterías de litio que explotan, lo que podría ocurrir como resultado). de sobrecarga, carga a baja o alta temperatura, o cortocircuito debido a contaminantes).
OTRAS CONSIDERACIONES INCLUYEN:
5. Vida útil: se refiere a cuánto tiempo permanecerá una batería en un almacén o en un estante antes de usarse. Las baterías primarias tienen una vida útil mucho más larga que las secundarias. Sin embargo, la vida útil es generalmente más importante para las baterías primarias porque las baterías secundarias tienen la capacidad de recargarse. Una excepción es cuando la recarga no es práctica.
6. Química: muchas de las propiedades enumeradas anteriormente están dictadas por la química celular. Analizaremos las químicas de baterías comúnmente disponibles en la siguiente parte de esta serie de blogs.
7. Tamaño y forma físicos: las baterías suelen estar disponibles en los siguientes formatos de tamaño: pilas de botón/moneda, pilas cilíndricas, pilas prismáticas y pilas de bolsa (la mayoría de ellas en formatos estandarizados).
8. Costo: hay ocasiones en las que es posible que deba dejar pasar una batería con mejores características de rendimiento porque la aplicación es muy sensible al costo. Esto es especialmente cierto para aplicaciones desechables de gran volumen.
9. Regulaciones sobre transporte y eliminación: el transporte de baterías de litio está regulado. También está regulada la eliminación de determinadas sustancias químicas de las baterías. Esto puede ser una consideración para aplicaciones de gran volumen.
10. Seguridad de la batería de litio del fabricante. Algunos fabricantes ni siquiera realizan ninguna prueba de seguridad y confiabilidad por su cuenta antes de la producción en masa. Esto representa un gran peligro en la aplicación final.
Hay muchas consideraciones al seleccionar una batería. Varios de ellos están relacionados con la química, mientras que otros están relacionados con el diseño, la construcción y la capacidad del fabricante de la batería. Elegir el fabricante de baterías de iones de litio con más experiencia es lo más importante. VTC Power Co., Ltd se especializa en la fabricación de baterías de iones de litio durante 20 años y ¡Da la mejor propuesta para ti!
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