Carga y descarga de baterías de iones de litio: principio y características

Características del litio

Antes de pasar a la carga y descarga de la batería de iones de litio, es necesario comprender la estructura de las baterías de iones de litio y las características del litio.

Las baterías de iones de litio constan de tres partes: una lámina de cobre recubierta de grafito, una lámina de aluminio recubierta de compuestos de litio y un electrolito que contiene sales orgánicas de litio. La carga y descarga de la batería de iones de litio consiste en el movimiento recíproco de iones de litio y electrones libres.

Los distintos metales tienen potenciales electroquímicos diferentes. El potencial electroquímico es la tendencia de los metales a perder electrones. En la siguiente figura se muestran los potenciales electroquímicos de algunos metales comunes. Entre ellos, el litio, que es el más propenso a perder electrones, se utiliza en las baterías de iones de litio.

Como se muestra, el litio tiene la mayor propensión a perder electrones, mientras que el flúor tiene la menor propensión a perder electrones. Esto se debe a que la capa más externa del litio sólo tiene un electrón, que es muy fácil de perder; mientras que la capa más externa del flúor tiene 8 electrones, que es muy estable (la capa más externa del átomo sólo puede tener 8 electrones como máximo, 1 es el más activo, 8 es el más estable).

El litio puro es un metal muy reactivo que hierve directamente en agua, pero los óxidos metálicos de litio son muy estables, y si de alguna manera separamos un átomo de litio de este óxido metálico, el átomo de litio es extremadamente inestable, formará instantáneamente un ion de litio y un electrón, como se muestra en la figura siguiente.

Sin embargo, como se ha mencionado anteriormente, el litio, como parte del óxido metálico, es mucho más estable en el óxido metálico que en el estado libre del átomo de litio. Por lo tanto, si se pueden proporcionar dos caminos diferentes para el flujo de electrones e iones de litio entre el litio y el óxido metálico, los átomos de litio irán automáticamente a la parte de óxido metálico, y el camino del electrón es el circuito externo.

Por lo tanto, cuando se utiliza la fuerza del campo eléctrico para sacar el litio del óxido metálico, y luego se proporcionan caminos diferentes para sus iones y electrones (retirada del campo eléctrico externo), el litio volverá al óxido, como se muestra en la figura siguiente.

Características de la batería de iones de litio

La batería de iones de litio es una de las baterías de mayor densidad energética, ya que proporciona un mayor voltaje y una mayor corriente por celda sin necesidad de carga lenta cuando la batería está totalmente cargada.

Pero una batería de iones de litio no tiene efecto memoria, es decir, no "recuerda" cuánta energía le queda hasta que se agota por completo, por lo que una batería de iones de litio debe cargarse utilizando un perfil de carga especial de corriente constante y tensión constante (CC-CV), y la curva de carga puede ajustarse automáticamente en función de la temperatura y el nivel de tensión de la batería.

Principio de carga y descarga de la batería de iones de litio

Las baterías de iones de litio contienen electrolito y grafito, que tiene una estructura en capas para que los iones de litio separados puedan almacenarse fácilmente en ellas. El electrolito entre el grafito y el óxido metálico actúa como protección, permitiendo que sólo pasen los iones de litio, pero no los electrones.

Cuando se aplica una fuente de energía externa (campo eléctrico), debido a la atracción de los opuestos, el cátodo de la fuente de energía atraerá electrones de los átomos de litio del óxido metálico, y empujará a estos electrones a fluir a lo largo del circuito externo y alcanzar la capa de grafito, mientras que estos electrones no pueden fluir a través del electrolito .

Al mismo tiempo, los iones de litio cargados positivamente también son atraídos hacia el ánodo y fluyen a través del electrolito hasta alcanzar la capa de grafito. En ese momento, la capa de grafito contiene una gran cantidad de iones y electrones de litio. Entre ellos, estos iones y electrones son átomos de litio, pero como los átomos de litio son inestables, existen en forma de iones y electrones de litio.

Una vez que todos los átomos de litio del óxido metálico alcanzan la capa de grafito, la batería está completamente cargada. En este momento, el estado inestable del átomo de litio es como una pequeña bola en la cima de la montaña. Una vez retirada la fuente de alimentación y conectada la carga, el átomo de litio volverá a un estado estable como parte del óxido metálico.

Debido a esta tendencia a estabilizarse, los electrones se cargan de vuelta al óxido, y los iones de litio viajan a través del electrolito de vuelta al óxido, como una pelota que se desliza colina abajo, y finalmente los iones de litio y los electrones se combinan para formar átomos de litio fijados en su óxido metálico.

Durante todo el proceso, el grafito no desempeña ningún papel en la química de las baterías de iones de litio, es sólo un medio de almacenamiento para los iones de litio. Si la temperatura interna de la batería aumenta debido a alguna situación anormal y el electrolito se seca, los iones de litio y los electrones correrán todos hacia el óxido por el mismo camino en ese momento, lo que provoca un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo, y puede causar un incendio o una explosión.

Para evitarlo, se coloca entre los electrodos una capa aislante llamada separador. Debido a sus microporos, el separador es permeable a los iones de litio, pero no a los electrones.

En la batería de litio real, el grafito y el óxido metálico están recubiertos de una lámina de cobre y otra de aluminio, respectivamente. La lámina actúa como colector de corriente, y las placas positiva y negativa pueden separarse fácilmente del colector, como se muestra en la figura siguiente. Entre ellas, la lámina de cobre conduce al ánodo y la de aluminio al cátodo.

Se utiliza una sal orgánica de litio como electrolito y se recubre en las láminas separadoras, todas ellas enrolladas en un cilindro alrededor de un núcleo central de acero, lo que hace que las pilas de litio sean más compactas. Una batería estándar de iones de litio tiene un voltaje de entre 3v y 4,2v.

La carga y descarga de la batería de iones de litio es en realidad el proceso de movimiento recíproco de los iones de litio y los electrones. Cuando se carga, se aplica energía a la batería para que los iones de litio y los electrones vayan a la capa de grafito por caminos diferentes.

En este momento, los átomos de litio Es muy inestable. Y la descarga consiste en aplicar una carga a la batería, permitiendo que los iones de litio y los electrones corran hacia el lado del óxido metálico por el camino anterior. En este momento, los átomos de litio son relativamente estables como parte del óxido metálico.

Etapas de carga de la batería de iones de litio

Etapa 1. Carga lenta

Si el voltaje de la batería es inferior a VBATT_TC (umbral de voltaje de precarga de carga lenta) (2V/célula), el CI cargará la batería con una corriente de carga lenta de 100mA (ajustable). La etapa de carga de mantenimiento se utiliza normalmente sólo cuando el voltaje de la batería está por debajo de un nivel muy bajo (alrededor de 2,1V). En este estado, el IC de protección interna del pack de baterías puede haber desconectado la batería debido a una descarga profunda o a un evento de sobrecorriente.

En cargador de batería proporciona una pequeña corriente (normalmente 50 mA) para cargar los condensadores de la batería y activar el circuito integrado de protección, que enciende su MOSFET para volver a conectar la batería. Aunque la carga lenta suele durar sólo unos segundos, el circuito integrado de carga debe integrar un temporizador. Si el paquete de baterías no se vuelve a conectar en un tiempo determinado, lo que indica que la batería está dañada, el temporizador detiene la carga.

Fase 2. Precarga

Una vez que el pack de baterías se vuelve a conectar o se encuentra en estado de descarga, entra en la etapa de precarga. Durante la precarga, el CI del cargador comienza a cargar de forma segura la batería agotada a un nivel de corriente más bajo, normalmente C/10 (C es la capacidad en mAh). La precarga aumenta lentamente el voltaje de la batería, cuyo propósito es cargar la batería de forma segura a un nivel de corriente bajo para evitar daños a la batería hasta que su voltaje alcance un nivel más alto.

Fase 3. CC (Carga de corriente constante)

La carga CC también se conoce como etapa de carga rápida. La carga a corriente constante comienza después de la precarga y se inicia una vez que el voltaje de la batería alcanza unos 3v por celda (ajustable). Durante la etapa de carga a corriente constante, la batería puede emitir con seguridad una corriente de carga más alta entre 0,5C y 3C. La carga a corriente constante continúa hasta que el voltaje de la batería alcanza un nivel de voltaje "lleno" o de flotación, y entonces entra en la etapa de carga a voltaje constante.

Fase 4. CV (Carga a tensión constante)

El umbral de tensión constante (CV) para las baterías de litio suele ser de 4,1v a 4,5v por celda. El circuito integrado de carga controla la tensión de la batería durante la carga a corriente constante. Una vez que la batería alcanza el umbral de carga de tensión constante, el circuito integrado de carga pasa de regulación de corriente constante a regulación de tensión constante.

Cuando el CI cargador detecta que el voltaje del pack de baterías externo supera el voltaje real de la batería en el pack de baterías, comienza a realizar la carga a voltaje constante.

Esto se debe a la presencia de la resistencia interna de la batería, la resistencia de la placa de circuito impreso y la resistencia en serie equivalente (ESR) de los MOSFET y las celdas de la placa de protección PCM. El CI de carga no permite que la tensión de la batería supere su tensión de flotación máxima para garantizar el funcionamiento seguro del sistema de carga.

Etapa 5. Dejar de cobrar

Durante la etapa de carga a tensión constante, cuando la corriente que fluye hacia la batería desciende por debajo del umbral establecido (aproximadamente C/10), el circuito integrado del cargador finaliza el ciclo de carga. En este punto, la batería se considera totalmente cargada y la carga está completa. Si la función de corte de carga del CI cargador está desactivada, la corriente de carga decaerá naturalmente a 0mA, pero esto rara vez ocurre en la práctica.

Dado que la cantidad de carga que entra en la batería disminuye exponencialmente durante la carga a tensión constante (la tensión de la batería aumenta como un gran condensador), se tarda mucho tiempo en cargar la batería con muy poco aumento de la capacidad.

Tasa C de la batería de iones de litio

C es la abreviatura de capacidad, y la "tasa C" de la batería especifica la corriente máxima de carga y descarga de la batería de iones de litio. Las tasas C estándar suelen estar entre 0,5C y 3C, dependiendo de la célula específica utilizada, y a menudo hay un compromiso entre tasas C más altas y densidades de energía más bajas.

Por ejemplo, para una batería de 3000mAh, la tasa C es de 1C, lo que significa que la batería puede cargarse con una corriente máxima de 3A. Normalmente, los fabricantes de baterías también especifican diferentes rangos de voltaje y temperatura para la tasa C, reduciéndose la tasa C a voltajes más bajos o temperaturas más altas/bajas.

Si una batería tiene una tasa C más alta, la llamamos batería de alta tasa, y puede liberar más corriente y cargarse más rápido. Por ejemplo, las baterías con tasas C más altas son más útiles para dispositivos portátiles como smartphones y portátiles que para altavoces inalámbricos, porque estos dispositivos portátiles pueden necesitar cargarse al menos una vez al día.

Por lo general, la carga rápida es sin duda la primera opción para los dispositivos que funcionan durante poco tiempo y necesitan un uso continuo. Conocer la tasa C de una batería puede ayudar a empresa de baterías de iones de litio determinar la corriente de carga, y optimizar su solución de perfil de carga, y elegir la mejor topología de CI del cargador y las características de seguridad para la batería.