Baterías de Iones de Litio
Quien la invento?
El 22.12.1941 en Nottingham, nació M. Stanley Whittingham. Hijo de un ingeniero, rápidamente se sintió atraído por el mundo de la tecnología. Completó sus estudios en doctorado en Oxford y luego, después de migrar a los Estados Unidos, Continuó sus estudios en la Universidad de Stanford. Sus intereses se centran principalmente en la química. En el comienzo de 1970, se incluyó en el proyecto para crear fuentes de energía alternativas. Esto influyó significativamente en el desarrollo de propulsores eléctricos en los automóviles, mientras que para Whittingham fue una oportunidad para usar sus habilidades. En 1972, logró construir la primera batería de litio recargable. Utilizó su descubrimiento sobre la formación de estructuras cristalinas de desulfuro de titanio, a partir de este material que se hizo el cátodo. El ánodo era litio metálico. El invento no fue perfecto, porque la batería tenía tendencia a explotar, pero fue el primer paso hacia una revolución que aumentó las posibilidades de almacenamiento de energía y limitó el uso de materiales tóxicos para tal fin, más tarde John B. Goodenough y otros investigadores desarrollaron aún más el diseño mejorando las celdas de litio. Los sulfuros fueron, entre otros intercambiado en óxidos, que duplicaron el potencial eléctrico de los electrodos. El mundo recordó claramente su participación en el descubrimiento de las células de litio en 2019, cuando el Comité Nobel entregó el premio a tres investigadores: Whittingham, Goodenough y Yoshino, quienes contribuyeron al desarrollo de las baterías de iones de litio.
Hay tres tipos de baterías de iones de litio a base de materiales catódicos diferentes, son el óxido de cobalto, óxido de manganeso y fosfato de hierro.
La batería de óxido de cobalto/litio tiene la ventaja de su alta densidad de energía, pero acarrea graves problemas de seguridad.
La batería de litio/óxido de manganeso es la de mayor utilización por sus características y seguridad pero su mal rendimiento a altas temperaturas es su mayor inconveniente.
Las de litio/fosfato de hierro tiene las mejores características de seguridad, ciclo de vida más largo (>2.000 ciclos) y una buena disponibilidad.
Las baterías recargables con base de litio están disponibles en dos composiciones químicas similares: cilíndricas/tubulares de ión de litio (Li-Ion) y planas de polímero de litio (Li-Po). Ambas producen entre 3,6 y 3,7 voltios.
Dentro de estas composiciones químicas hay deiveros tipos.
Las baterías de litio proporcionan más densidad energética que las baterías de níquel, lo que da lugar a una mayor autonomía de batería en un diseño más ligero, ya que el litio es el metal más liviano que existe.
Abreviaturas:
I = Lithium Ion
C/M/F = cobalt/manganese/iron phosphate chemistry
R= (Round)
Chemistry:
ICR-LCO= Lithium cobalt oxide (traditional), Samsung 26F,
INR/NCA= Li-aluminum: Panasonic 18650PF, Panasonic 18650B, LG MH1
IMR-LMO= Lithium manganese oxide cylindrical cell
INR= Lithium manganese nickel: Samsung SDI, Sony VTC4, Sony VTC5, LG
HE2-IFR-LFP= Lithium iron phosphate cylindrical, 3.2v.
NMC-LiNiMnCo02= Lithium Niquel manganeso, cobalto
Se ha comenzado a comercializar a comienzos de 1990 y se ha popularizado su utilización en dispositivos móviles por las características de tamaño, peso y rendimiento que estos requieren.
¿Cuánto duran las baterías de iones de litio?
¿Por qué mueren las baterías de iones de litio?
Es difícil saber cuánto durará una batería de litio.
Hay reacciones parasitarias que reducen la vida de las baterías.
Las reacciones parásitas son causadas por un sólido que se forma en el electrodo negativo que impide que los iones de litio se muevan a través del encapsulado.
Cuando la curva de voltaje se mueve hacia la derecha después de cada ciclo de carga-descarga, esto se debe a que parte del litio no regresa (en su lugar, se convierte en esa escoria sólida).
Los fabricantes agregan productos químicos (aditivos electrolíticos) para mejorar las céldas de Litio.
Otro de los problemas es la alta temperatua del equipo o vehículo que las incorporan.
Los vehículos eléctricos equipados con baterías de iones de litio suelen estar equipados con sistemas de gestión térmica, la idea es mantener baja la temperatura en la batería.
La falta de un sistema de enfriamiento adecuado hace que las baterías sufran daños relacionados con el calor, causando una pérdida de la capacidad de la batería. Especialmente para los vehículos en climas cálidos, que pierden más del 25% de su capacidad de las baterías en el segundo año de vida.
Como funciona un Celda de Litio en condiciones extremas.
Cuando carga una celda de iones de litio a temperaturas bajo cero, la mayoría de los iones de litio no se intercalan en el ánodo de grafito. En su lugar, recubren el ánodo con litio metálico, como si estuvieran galvanizando una moneda de ánodo con un cátodo de metal precioso. Por lo tanto, la carga desgastará el ánodo con litio en lugar de recargarlo. Algunos de los iones se intercalarán en el ánodo, y algunos de los átomos en el revestimiento metálico se intercalarán más tarde durante más de 20 horas si se permite que la celda descanse, pero la mayoría no lo hará. Esa es la fuente de la reducción de la capacidad, el aumento de la resistencia interna y también el peligro.
Estas celdas tienen un ánodo, un cátodo y un electrolito como cualquier otra batería, pero hay un giro: los iones de litio en realidad se mueven del cátodo al ánodo durante la carga y se intercalan en él. La esencia de la intercalación es que las moléculas (iones de litio en) están apiñados entre los espacios moleculares de la red de algún material.
Durante la descarga, los iones de litio abandonan el ánodo y regresan al cátodo, e igualmente se intercalan en el cátodo. Así que tanto el cátodo como el ánodo actúan como una especie de «esponja» para los iones de litio.
Cuando la mayoría de los iones de litio se intercalan en el cátodo (lo que significa que la batería está en un estado bastante descargado), el material del cátodo se expandirá ligeramente debido a la tensión volumétrica (debido a todos los átomos adicionales encajados entre su red), pero generalmente la mayoría de esto, la fuerza de intercalación se convierte en tensiones internas (análogas al vidrio templado), por lo que la deformación volumétrica es leve.
Durante la carga, los iones de litio abandonan el cátodo y se intercalan en el ánodo de grafito. El grafito es básicamente una galleta de carbono, hecha de un montón de capas de grafeno para formar una estructura de galleta agregada
Las partículas rojas contienen litio, y las verdes no.
Ventajas:
- Alta capacidad energética
- Alta resistencia a la descarga
- No poseen efecto memoria, portanto no hace falta descargarla completamente para volver a cargarla
- Capacidad de trabajar con muchos ciclos de regeneración (carga)
- Ligereza de componentes: podemos decir que el litio es el metal más ligero lo que permite una alta capacidad generando más energía con un peso mucho más bajo comparado con las baterías de plomo o de níquel-cadmio.
- Elevada densidad energética
- Descarga lineal
- Una vida larga para baterías profesionales para vehículos
- Facilidad de medir la energía almacenada
- Baja tasa de auto descarga
Desventajas:
- Soportan un número limitado de cargas (Máximo 400-500 ciclos)
- Pueden sobre calentarse y explotar si no están protegidas en lugares calurosos o sobre recarga
- Bajo rendimiento en temperaturas bajas
Las propiedades especificadas permiten diseñar acumuladores pequeños, livianos, con diversas formas y con un alto rendimiento.
La batería de Litio también denominada batería Li-Ion, funciona de la siguiente manera, es una pila recargable con dos o mas celdas donde están separados los iones de litio, cuando funciona en modo de descarga los iones de una y otra celda se combinan químicamente para formar el elemento estable, esta combinación se produce de forma exo-térmica, es decir, produce energía que es la que se aprovecha, cuando se ha agotado la batería es porque todos los iones están en su estado fundamental y no quedan mas para seguir combinándose.
Las baterías utilizan las reacciones electro-químicas para producir una corriente eléctrica. Esencialmente, la energía química del material almacenada en la batería se convierte en energía eléctrica a través de una reacción química. La batería consta de tres elementos, un cátodo, un ánodo y un electrolito para separarlas.
Una reacción química se produce cuando hay un exceso de electrones en el ánodo. Éstos simplemente no pueden escapar al cátodo debido a que los dos están separados por el electrolito. Cuando la batería está conectada a un circuito, los electrodos se ejecutan a través del circuito desde el ánodo al cátodo y la energía se pueden extraer de éstos a lo largo del camino.
La química más común para las baterías de litio tiene un ánodo de litio metálico, el dióxido de manganeso como un cátodo y una sal de litio disuelta en un disolvente orgánico como el electrolito.
A tener en cuenta
Formas y tamaños
En estas celdas si son protegidas mediante PCB/BMS hay que añadir +/-2.50mm en el largo.
La mas conocidas son la cilíndricas o tubulares que se usan en cámaras de fotografía y video, MP4, Ipod, Linternas, Tabletas, etc pero últimanete han salido nuevas medidas como las 21700, 32700.
Capacidad Real
- Capacidad, se expresa en mili amperios hora (mAh), indica la autonomía que tiene cada batería o celda, cuanto mayor sea los mAh mas duración o autonomía tendremos para alimentar nuestro equipo/linterna/móvil/herramienta. Las capacidades más habituales están entre 2.200 mAh y 3.450 mAh.
- Descarga, expresada en amperios/hora o vatios/hora o la letra «C» que equivale a 1=capacidad de la batería, es la máxima corriente que puede suministrar la batería para alimentar el aparato.
La capacidad real de una batería es la que se indica como típica, la capacidad que se indica en las baterías suelen ser la calificada por el fabricante como (Rated), entonces cual es la real?, la real suele indicarse en los pdf de las celdas utilizada o en la descripción de la batería como típica y es la capacidad total de la celda de litio.
Si la batería está protegida la descarga de su capacidad nunca será la indicada debido a que la protección de la misma PCM cortará el suministro a 2.75v+/- por tanto una buena parte de la capacidad (30%+/-) se queda en la celda de litio.
Hay muchas dudas sobre esta información, algunos fabricantes indican un valor sobre dimensionado en la capacidad y ante esto pueden pasar dos cosas, o que es una falsificación o que la que indican es la descarga máxima de la batería o valor típico antes del corte del PCM.
Potencia/Power = Voltaje x Corriente
W = 3.7V x 10A
W = 32
Energía = Voltaje x Corriente x tiempo
W tiempo = V x I x tiempo
W hora = 3.7V x [3.000 mAh]/3.7V x 3 Ah
Wh = 11.1
Marcas recomendadas de celdas 18650 de Litio, las originales las puede encontrar en España en Shoptronica
Nuestras Baterías y su procedencia
Shoptronica no adquiere estas celdas en China, solo a distribuidores de las marcas en Europa.
Fecha de elaboración de algunas baterías como las Panasonic
¿Por qué debería importarme?: Buscar el código de fecha de su celda puede ayudar a confirmar o negar si es una falsificación o no. También puede ayudarle a determinar si el vendedor es honesto acerca de la fecha de producción de sus células. Aprender la fecha de producción también puede ayudarle a predecir con mayor precisión la capacidad de la celda sin herramientas especiales.
Por último – la seguridad. Si una celda es vieja debe ser más cauteloso.
¿Qué significa si mi batería de Litio es vieja en el momento de la compra?
Todo depende de las condiciones de almacenamiento (es decir, la temperatura y luego el voltaje).
Los grandes fabricantes (Samsung, LG, Sanyo, etc.) garantizan sus celdas hasta 6 meses después de la producción.
Por tanto, si su celda tiene 12 meses o menos en el momento de la compra, puede considerarse en «condiciones óptimas», ya que el fabricante-distribuidor tiene suficiente confianza para garantizarlas hasta tres años en almacenaje. La mayoría de las baterías de Litio se pueden almacenar durante un período de 1 a 3 años sin pérdida significativa de capacidad, pero sólo si las condiciones de almacenamiento son correctas.
Mi batería tiene más de 2 años, ¿es peligroso?. Todo depende. Hay muchas personas que utilizan sus celdas durante muchos años y no tienen problemas. Una celda que ha sido almacenada correctamente durante dos años puede ser una celda óptima! A menudo la pérdida de capacidad que hace que una celda sea inutilizable es visible a simple vista (óxido, fugas, arañazos, etc).
Muchas celdas de Litio, incluyendo las de Panasonic en los coches eléctricos de Tesla, están clasificadas hasta siete años de uso. Pero esto es en bajo condiciones óptimas.
Que sabemos de las 21700 que utiliza Tesla en su coche modelo S?
Tesla ha sido bastante reservado acerca de su última generación de celdas de batería 21700 li-ion, que se diseñaron para el Modelo 3 y que Panasonic las está fabricando en el Giga-factory 1 de Tesla en Nevada.
La compañía ha publicado detalles sobre las celdas de la batería, que reclaman mayor densidad de energía en el mercado y el uso de menos cobalto.
Desde su inicio, Tesla ha estado utilizando 18650 celdas de batería fabricadas por Panasonic, pero Tesla trabaja con el fabricante japonés para ajustar la química de las celdas, lo que las hace únicas y no exactamente fuera de los estantes.
Para el Modelo 3, Tesla diseñó la arquitectura del paquete de baterías Modelo 3 sobre el nuevo formato de 21700 de celdas más grande y ha trabajado con Panasonic para construir las celdas con una nueva química de 21x70mm y con capacidad de 5,750 a 6,000mAh.
Pero están disponibles para su comercialización?, la respuesta es NO de momento a fecha del 2019
Despiece y sección de una batería de Litio tipo 18650
Un pcm de una 18650 protegida
Tipos de contactos de las baterías
Batería que se cargan por Usb con cualquier cargador de móvil, tabletas o cargador de mechero para móvil.
Con la tecnología SG Tech. (PCM/BMS) en el polo positivo. Previene el accidente causado por cortocircuito de la cinta de níquel que conecta entre los terminales positivo-negativo de los electrodos de la celda. Equipado en ambos extremos con un protector S.S niquelado, garantizando una alta resistencia al impacto, buena conductividad eléctrica y resistencia a la oxidación.
Estructura y su interior
Comprobamos que estas Baterías usan celdas Panasonic NCR18650B de 3.400mAh
Carga de baterías Litio/LiPo en paralelo?
Antes debemos de saber algo con respecto a la Resistencia interna de las baterías.
La resistencia interna de las Baterías (Celdas) depende entre otras cosas de la calidad de la celda, pues si los fabricantes fueran todos igual de serios estaría relacionada principalmente con las tasas de carga y descarga (C) admitidas. Una buena batería es capaz de entregar mayor corriente debido a su menor resistencia interna y se calienta menos durante su uso por el mismo motivo.
Con el tiempo el envejecimiento de las baterías, causa una mayor resistencia interna, lo que las hace menos efectivas a la hora de drenar corriente como de la recarga.
Ejemplo de la resistencia interna de unas baterías nuevas Lipo (como ejemplo), de 150mAh y 180mAh. Los valores están entre 300mΩ y 360mΩ. Como valor para los cálculos tomaremos 300mΩ, por estar dentro de la media.
Cuando conectamos dos baterías en paralelo, tenemos dos fuentes de corriente continua que pueden tener diferente voltaje (Tensión) aquí están todos los problemas, que al conectarse sólo limitan la corriente por su resistencia interna. A más diferencia de tensión entre ellas, mayor será la corriente que circule de una a otra celda y a mayor resistencia interna, menor será la corriente.
El circuito al conectar dos baterías en paralelo, es un circuito con dos fuentes de tensión y dos resistencias en serie. Las dos fuentes de tensión van con su polaridad opuesta, al quedar conectado positivo con positivo y negativo con negativo.
Un poco de Cálculo.
Es necesario algo más que sumar las resistencias internas de cada celda y restar los voltajes de las dos celdas para reducir al circuito a una sola fuente de tensión con una sola resistencia y ya podemos aplicar la ley de Ohm:
Ejemplos: Una batería al 100% de carga (4,22v) y otra al 0% (3v)
Suponiendo que una Batería esté al mínimo, es decir 2.75v pues por debajo de este voltaje será difícil la carga, y la otra está al 100%, significa que tendrá 4,22V.
R= 360mΩ + 360mΩ = 0,7Ω
V= 4,22V – 2.75V = 1,47V
I= V/R = 1,20V/0,6Ω = 1.7A
La corriente que circulará de una celda a otra hasta que se iguale su carga, es de 2A (amperios).
Considerando celdas de 150mAh, denominaremos C a su capacidad de carga máxima en mAh y D a la ratio de carga/descarga que se producirá (los C de carga de la que está al mínimo y de descarga de la que está al 100%), resulta ser: D= I/C = 1.7A / 0,15Ah= 11,33/h= 11,33C
11.33C es la corriente que inicialmente circula de una celda a otra y este valor supera los 5C de carga que admiten la mayoría de baterías más normalizadas.
Para obtener valores que nos permitieran la conexión con seguridad, deberíamos asegurar voltajes parecidos entre las celdas antes de la carga, luego esperar unos minutos hasta que su carga se vaya igualando (Como un vaso comunicante) antes de empezar a cargar el grupo, pues la corriente aplicada por el cargador se suma o resta de la que está circulando por la conexión que hemos realizado con las celdas y esto sólo sería viable cuando las celdas permitan una tasa de carga alta superior a 2C.
En definitiva no parece recomendable la cargas en paralelo al ser fácil superar los límites de carga de las celdas desde el momento de la conexión y antes de empezar el proceso de carga.
En Shoptronica tenemos la mayor variedad de Baterías de Litio
Interesante este blog y tengo que comentar que he tenido muy mala experiencia con baterias 18650 de panasonic 3400ma, compradas en ebay, la mayoria no tienen mas de 2400mah comprobado con un cargador con tester de capacidad de trustfire, al final despues de reclamar en ebay me dicen QUE YO demuestre que no tienen esa capacidad y por muchas fotos enviadas del tester me dicen que no vale que mande un report firmado por un tecnico perito, hay que joerssss con ebay-paypal.
Opte por comprarlas en la web que indicais y SI señores son originales y con la capacidad indicada, espero que mi metida de pata por comprar barato sirva a mucha gente que buscan gangas en ebay. Suerte con este blog y Gracias por la info
Lamentamos la decepción que has tenido con esas celdas pero no nos cansaremos de informar que las baterias vendidas y procedentes de china la mayoría son falsas por mucha etiqueta que tengan.
Esperamos que nos sigas siguiendo con todos los hilos y los que publicaremos. Un salud@
Hola .
Ya les he comprado bastantes Baterías de LG, Sanyo y Panasonic , testeadas con el cargador de Eizfan de este enlace https://www.shoptronica.com/cargadores-de-baterias/5031-cargador-de-baterias-tester-voltaje-y-capacidad-8944748446169.html
A seguir añadiendo mas info. gracias
Tenéis mas info de este cargador en
https://www.facilelectro.es/?p=835
Vaya tio a tu tb te has comprado el cargador con pantalla, pues estoy muy contento lo unco que he detectado es cuando cargas todas las bahias a mas de 1 amperio se pone en marcha un ventilador que hace algo de ruido, pero supongo que es normal.
Por cierto felicitar a los que curran este blog, es una pasada y no hay ninguno tan completo en español.
Gracias por tus elogios esto nos da animo a trabajar con mas contenido en este Blog.
Lo del ruido del ventilador es normal, es sumamente pequeño y al forzar las revoluciones hace ese ruido pero se puede soportar