Capacitat i energia d’una bateria o d’un sistema d’emmagatzematge
La capacitat d’una bateria o acumulador és la quantitat d’energia emmagatzemada segons el valor específic de temperatura, càrrega i descàrrega i el temps de càrrega o descàrrega.
Capacitat de qualificació i tipus C
La velocitat C s'utilitza per escalar la càrrega i la corrent de descàrrega d'una bateria. Per a una capacitat determinada, la velocitat C és una mesura que indica a quina corrent es carrega una bateria i descarregat per assolir la seva capacitat definida.
Una càrrega de 1C (o C / 1) carrega una bateria que és de 1000 A a 1000 A durant una hora, de manera que al final de l’hora la bateria aconsegueix una capacitat de 1000 Ah; Una descàrrega d'1C (o C / 1) drena la bateria a la mateixa velocitat.
Una càrrega de 0,5C o (C / 2) carrega una bateria amb una capacitat nominal de 1000 Ah a 500 A, de manera que triguen dues hores a carregar la bateria amb una capacitat nominal de 1000 Ah;
Una càrrega de 2C carrega una bateria que és de 1000 A a 2000 A, de manera que es necessita teòricament 30 minuts per carregar la bateria amb una capacitat nominal de 1000 Ah;
La qualificació Ah normalment es marca a la bateria.
Últim exemple, una bateria de plom àcid amb una capacitat nominal de C10 (o C / 10) de 3000 Ah s’ha de carregar o descarregar en 10 hores amb una càrrega o descàrrega actual de 300 A.
Per què és important conèixer la velocitat C o la qualificació C d’una bateria
La velocitat C és una dada important per a una bateria, ja que per a la majoria de les bateries l’energia emmagatzemada o disponible depèn de la velocitat de la càrrega o del corrent de descàrrega. Generalment, per a una capacitat determinada tindreu menys energia si us descarregueu en una hora que si us descarregueu en 20 hores, inversament, emmagatzemareu menys energia en una bateria amb una càrrega actual de 100 A durant 1 h que amb una càrrega actual de 10 A durant les 10 h.
Fórmula per calcular el corrent disponible en la sortida del sistema de bateries
Com calcular el corrent de sortida, l’energia i l’energia d’una bateria segons la velocitat C?
La fórmula més senzilla és:
I = Cr * Er
o
Cr = I / Er
On
Er = energia nominal emmagatzemada a Ah (capacitat nominal de la bateria donada pel fabricant)
I = corrent de càrrega o baixa a Amperes (A)
Cr = velocitat C de la bateria
L’equació per obtenir el temps de càrrega o càrrega o descàrrega “t” segons la capacitat actual i classificada és:
t = Er / I
t = temps, durada de la càrrega o descàrrega (temps d'execució) en hores
Relació entre Cr i t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr
Com funcionen les bateries d’ions de liti
Bateries d’ió de liti són increïblement populars en aquests dies. Podeu trobar-los en ordinadors portàtils, PDA, telèfons mòbils i iPods. Són tan habituals perquè, lliura per lliura, són algunes de les bateries recarregables més energètiques disponibles.
Les bateries d’ions de liti també han estat a les notícies darrerament. Això passa perquè ocasionalment aquestes bateries poden explotar-se en flames. No és gaire freqüent (només dos o tres paquets de bateries per milió tenen un problema), però quan passa, és extrem. En algunes situacions, la taxa de fallada pot augmentar i, quan això succeeix, acabes amb un record global de bateries que pot costar als fabricants milions de dòlars.
Llavors, la pregunta és, què fa que aquestes bateries siguin tan energètiques i tan populars? Com esclaten en flames? Hi ha alguna cosa que podeu fer per evitar el problema o ajudar les bateries a durar més? En aquest article, respondrem a aquestes preguntes i molt més.
Les bateries d’ions de liti són populars perquè tenen una sèrie d’avantatges importants respecte a les tecnologies competidores:
- Generalment són molt més lleugers que altres tipus de bateries recarregables de la mateixa mida. Els elèctrodes d’una bateria d’ió de liti estan fets de liti i carboni lleugers. El liti és també un element molt reactiu, és a dir, que es pot emmagatzemar molta energia als seus enllaços atòmics. Això es tradueix en una densitat d’energia molt elevada per a les bateries d’ió de liti. A continuació, es mostra una manera d’obtenir una perspectiva sobre la densitat d’energia. Una bateria d’ió de liti típica pot emmagatzemar 150 watts-hora d’electricitat en 1 quilogram de bateria. Una bateria NiMH (níquel-metall hidrur) pot emmagatzemar potser 100 watts per quilogram, tot i que potser és més típic entre 60 i 70 watts. Una bateria de plom-àcid només pot emmagatzemar 25 watts per quilogram. Utilitzant la tecnologia d’àcid plom, triguen 6 quilograms a emmagatzemar la mateixa quantitat d’energia que pot suportar una bateria d’ió de liti d’1 quilogram. Aquesta és una diferència enorme
- Exerceixen el seu càrrec. Una bateria d’ions de liti perd només un 5 per cent de la seva càrrega al mes, en comparació amb una pèrdua del 20% al mes per a les bateries NiMH.
- No tenen efectes de memòria, cosa que significa que no cal descarregar-los completament abans de recarregar, com passa amb algunes altres químiques de bateries.
- Les bateries d’ions de liti poden suportar centenars de cicles de càrrega / descàrrega.
No vol dir que les bateries d’ions de liti són impecables. També tenen alguns desavantatges:
- Comencen a degradar-se tan bon punt surten de la fàbrica. Només duraran dos o tres anys des de la data de fabricació, tant si els feu servir com si no.
- Són extremadament sensibles a les altes temperatures. La calor fa que les paquetes de bateries d’ions de liti es degradin molt més ràpidament del que normalment.
- Si descarregueu completament una bateria d’ions de liti, s’enderroca.
- Una bateria d’ions de liti ha de tenir un ordinador de bord per gestionar la bateria. Això els fa encara més cars del que ja són.
- Hi ha una petita possibilitat que, si falla un paquet de bateries d’ió de liti, esclatarà en flama.
Moltes d’aquestes característiques es poden entendre si es mira la química dins d’una cèl·lula d’ió de liti. Ja ho veurem.
Els paquets de bateries d’ions de liti tenen totes les formes i mides, però per dins semblen iguals. Si haguéssiu de separar un paquet de bateries d’ordinador portàtil (cosa que NO recomanem per la possibilitat d’escurçar una bateria i iniciar un incendi), trobareu el següent:
- Les cèl·lules d’ió de liti poden ser bateries cilíndriques que semblen gairebé idèntiques a les cèl·lules AA, o poden ser prismàtiques, cosa que significa que són quadrades o rectangulars L’ordinador, que inclou:
- Un o més sensors de temperatura per supervisar la temperatura de la bateria
- Un convertidor de tensió i un circuit regulador per mantenir nivells de corrent i seguretat segurs
- Un connector de llibreta blindat que permet que l’energia i la informació entrin i surtin de la bateria
- Una aixeta de tensió, que supervisa la capacitat energètica de les cèl·lules individuals de la bateria
- Un monitor d’estat de càrrega de la bateria, que és un petit ordinador que gestiona tot el procés de càrrega per assegurar-se que les bateries es carreguen el més ràpidament i completament possible.
Si la bateria s’escalfa massa durant la càrrega o l’ús, l’ordinador tancarà el flux d’energia per intentar refredar les coses. Si deixeu el portàtil en un cotxe extremadament calent i proveu d’utilitzar l’ordinador portàtil, aquest ordinador pot evitar que us encengueu fins que les coses es refredin. Si les cèl·lules es descarreguen completament, la bateria s’apagarà perquè les cel·les s’estan arruïnant. També pot fer un seguiment del nombre de cicles de càrrega / descàrrega i enviar informació, de manera que el mesurador de bateries del portàtil us pot dir quanta càrrega queda a la bateria.
És un petit ordinador força sofisticat i treu energia a les bateries. Aquest sorteig d'energia és una de les raons per les quals les bateries d'ions de liti perden un 5 per cent de la seva potència cada mes al quedar-se paus.
Cèl·lules d’ió de liti
Com en la majoria de les bateries, teniu una funda exterior fabricada amb metall. L’ús del metall és especialment important aquí perquè la bateria està a pressió. Aquest estoig metàl·lic té algun tipus de forat de ventilació sensible a la pressió. Si la bateria s’està escalfant tant que corre el risc d’explotar per sobre-pressió, aquest ventilador alliberarà la pressió addicional. Probablement la bateria no serà inútil, així que cal evitar alguna cosa. L'aire de sortida està estrictament allà, com a mesura de seguretat. El mateix és el commutador de temperatura positiva (Coeficient de Temperatura Positiva), un dispositiu que se suposa que evita que la bateria es sobrecalenti.
Aquesta caixa metàl·lica sosté una llarga espiral composta de tres làmines fines premsades entre si:
- Un elèctrode positiu
- Un elèctrode negatiu
- Un separador
Dins del cas, aquestes làmines se submergeixen en un dissolvent orgànic que actua com a electròlit. L’èter és un dissolvent comú.
El separador és una làmina molt fina de plàstic micro perforat. Com el seu nom indica, separa els elèctrodes positius i negatius alhora que permet que hi passin ions.
L’elèctrode positiu està format per òxid de cobalt de liti, o LiCoO2. L’elèctrode negatiu està fabricat amb carboni. Quan la bateria es carrega, els ions de liti es desplacen a través de l'electròlit de l'elèctrode positiu a l'elèctrode negatiu i s'uneixen al carboni. Durant la descàrrega, els ions de liti es tornen al LiCoO2 a partir del carboni.
El moviment d'aquests ions de liti es produeix a una tensió força alta, de manera que cada cèl·lula produeix 3,7 volts. Això és molt superior als 1,5 volts típics d’una pila alcalina AA normal que compreu al supermercat i ajuda a fer més compactes les bateries d’ió de liti en dispositius petits com els telèfons mòbils. Consulteu el funcionament de les bateries per obtenir detalls sobre diferents productes químics de bateries.
Analitzarem com allargar la vida d’una bateria d’ions de liti i explorarem per què poden explotar a continuació.
Vida i mort de la bateria d’ions de liti
Les bateries d’ions de liti són costoses, així que si voleu que la vostra durada sigui més llarga, a continuació, hi ha algunes coses a tenir en compte:
- La química d'ions de liti prefereix la descàrrega parcial a la descàrrega profunda, per la qual cosa és millor evitar que la bateria es quedi fins a zero. Com que la química d'ions de liti no té una "memòria", no danyeu la bateria amb una descàrrega parcial. Si la tensió d’una cèl·lula d’ió de liti cau per sota d’un nivell determinat, s’està arruïnant.
- Les bateries d’ions de liti envelleixen. Només tenen una durada de dos a tres anys, fins i tot si estan asseguts en un prestatge sense utilitzar. Per tant, no "eviteu utilitzar" la bateria amb la idea que la bateria durarà cinc anys. No serà així. A més, si compreu un paquet de bateries nou, voleu assegurar-vos que és realment nou. Si ha estat un any assegut en un prestatge a la botiga, no durarà gaire. Les dates de fabricació són importants.
- Eviteu la calor, que degradi les bateries.
Explotar les bateries
Ara que sabem mantenir les bateries d’ions de liti funcionant més temps, mirem per què poden explotar.
Si la bateria està prou calenta per encendre l'electròlit, es produirà un incendi. Hi ha videoclips i fotos al web que mostren el grau que poden ser aquests incendis. L'article del CBC, "Summer of the Exploding Laptop", arrodoneix diversos d'aquests incidents.
Quan es produeix un incendi com aquest, normalment es produeix per un curtmetratge intern de la bateria. Recordeu a la secció anterior que les cèl·lules d’ió de liti contenen una làmina separadora que manté els elèctrodes positius i negatius. Si la fulla es punxa i es toquen els elèctrodes, la bateria s’escalfa molt ràpidament. Potser haureu experimentat el tipus de calor que pot produir una bateria si alguna vegada heu posat una bateria normal de 9 volts a la butxaca. Si una moneda s’escurça als dos terminals, la bateria s’escalfa.
En una fallada del separador, aquest mateix tipus de curtmetratge es produeix a la bateria d'ions de liti. Com que les bateries d’ió de liti són tan energètiques, fan molta calor. La calor fa que la bateria s’eviti el dissolvent orgànic utilitzat com a electròlit i la calor (o una espurna propera) la pugui encendre. Un cop que això succeeix dins d’una de les cèl·lules, la calor del foc es precipita a les altres cèl·lules i tot el paquet s’enfila en flames.
És important tenir en compte que els incendis són molt rars. Tot i això, només necessita un parell de focs i una mica de mitjans cobertura per demanar una retirada.
Diferents tecnologies de liti
En primer lloc, és important tenir en compte que hi ha molts tipus de bateries “Ion de liti”. El punt a destacar en aquesta definició fa referència a una “família de piles”.
Hi ha diverses bateries "Ion de liti" diferents d'aquesta família que utilitzen diferents materials per al seu càtode i ànode. Com a resultat, presenten característiques molt diferents i per tant són adequades per a aplicacions diferents.
Fosfat de ferro de liti (LiFePO4)
El fosfat de ferro de liti (LiFePO4) és una coneguda tecnologia de liti a Austràlia per la seva àmplia utilització i adequació a una àmplia gamma d'aplicacions.
Les característiques de baix preu, alta seguretat i bona energia específica, fan que sigui una opció forta per a moltes aplicacions.
La tensió cel·lular de 3,2V / cèl·lula LiFePO4 també el converteix en la tecnologia de liti escollida per a la substitució d'àcid de plom segellat en diverses aplicacions clau.
Bateria LiPO
De totes les opcions de liti disponibles, hi ha diverses raons per les quals LiFePO4 ha estat seleccionada com la tecnologia ideal de liti per substituir SLA. Els principals motius es tradueixen en les seves característiques favorables a l’hora de mirar les principals aplicacions on existeixen actualment SLA. Això inclou:
- Tensió similar a la SLA (3,2 V per cel·la x 4 = 12,8 V), cosa que els fa ideals per a la substitució de SLA.
- Forma més segura de les tecnologies de liti.
- Respecte al medi ambient: el fosfat no és perillós, per la qual cosa és respectuós amb el medi ambient i no amb un risc per a la salut.
- Ampli rang de temperatura.
Característiques i avantatges de LiFePO4 en comparació amb SLA
A continuació, es detallen algunes de les característiques principals de la bateria de fosfat de liti de ferro que ofereixen alguns avantatges significatius de SLA en diverses aplicacions. Aquesta no és una llista completa, però inclou els elements clau. S'ha seleccionat una bateria 100AH AGM com a SLA, ja que és una de les mides més utilitzades en aplicacions de cicle profund. S'ha comparat aquest 100AH AGM amb un LiFePO4 de 100AH per comparar el que és igual de semblant el més proper possible.
Característica - Pes:
Comparació
- LifePO4 és inferior a la meitat del pes de SLA
- Cicle profund AGM - 27,5Kg
- LiFePO4 - 12,2Kg
Beneficis
- Augmenta l'eficiència del combustible
- En aplicacions per a caravanes i embarcacions, es redueix el pes de remolc.
- Augmenta la velocitat
- En aplicacions per a embarcacions es pot augmentar la velocitat de l'aigua
- Reducció del pes total
- Temps de durada més llarg
El pes té una gran incidència en moltes aplicacions, especialment en els casos de remolc o de velocitat, com ara caravanes i embarcacions. Altres aplicacions que inclouen il·luminació portàtil i aplicacions de càmeres on cal portar les bateries.
Característica: Cicle de vida més gran:
Comparació
- Fins a 6 vegades la vida del cicle
- Cicle profund AGM: 300 cicles @ 100% de prova
- LiFePO4 - 2000 cicles @ 100% DoD
Beneficis
- Menor cost total de propietat (cost per kWh molt inferior a la vida útil de la bateria per a LiFePO4)
- Reducció dels costos de substitució: substituir l’AGM fins a 6 vegades abans que el LiFePO4 necessiti substituir-lo
La vida útil major del cicle significa que el cost addicional inicial d'una bateria LiFePO4 és superior al de la bateria durant l'ús de la vida. Si s’utilitza diàriament, caldrà substituir un AGM aproximadament. 6 vegades abans de substituir el LiFePO4
Característica: Corba de descàrrega plana:
Comparació
- A 0,2C (20A) de descàrrega
- AGM - baixa per sota de 12V després
- 1,5 hores de temps d'execució
- LiFePO4 - baixa per sota de 12V després d’unes 4 hores d’execució aproximadament
Beneficis
- Ús més eficient de la capacitat de la bateria
- Potència = Volts x Amplificadors
- Una vegada que la tensió comenci a caure, la bateria haurà de subministrar amplificadors més alts per proporcionar la mateixa quantitat de potència.
- La tensió més elevada és millor per als electrònics
- Temps més llarg d’equips
- Aprofitament complet de la capacitat fins i tot a altes taxes de descàrrega
- AGM @ 1C descàrrega = 50% de capacitat
- LiFePO4 @ 1C descàrrega = 100% de capacitat
Aquesta característica és poc coneguda, però és un avantatge fort i aporta múltiples avantatges. Amb la corba plana de descàrrega de LiFePO4, la tensió del terminal es manté per sobre de 12V per a un ús de capacitat del 85-90%. Per això, es necessiten menys amplificadors per subministrar la mateixa quantitat de potència (P = VxA) i, per tant, l'ús més eficient de la capacitat comporta un temps d'execució més llarg. L'usuari tampoc notarà el descens del dispositiu (carro de golf, per exemple) anteriorment.
Juntament amb això, l’efecte de la llei de Peukert és molt menys significatiu amb el liti que el d’AGM. Això resulta en tenir disponible un gran percentatge de la capacitat de la bateria, sigui quina sigui la velocitat de descàrrega. A 1C (o 100A de descàrrega per a bateries de 100AH), l’opció LiFePO4 encara us donarà 100AH davant només 50AH per AGM.
Característica: augment de l'ús de la capacitat:
Comparació
- AGM recomana DoD = 50%
- LiFePO4 recomana DoD = 80%
- Cicle profund de AGM: 100AH x 50% = 50Ah
- LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
- Diferència = 30Ah o un 60% més d’ús de capacitat
Beneficis
- Major bateria en temps d’execució o de menor capacitat per a la seva substitució
L’augment d’ús de la capacitat disponible significa que l’usuari pot obtenir fins a un 60% més d’execució a partir de la mateixa opció de capacitat en LiFePO4, o bé optar per una bateria LiFePO4 de menor capacitat alhora que aconsegueix el mateix temps d’execució que la capacitat de major AGM.
Característica: major eficiència de les càrregues:
Comparació
- AGM: la càrrega completa té aprox. 8 hores
- LiFePO4: La càrrega completa pot arribar a un mínim de 2 hores
Beneficis
- Bateria carregada i a punt per tornar-la a utilitzar més ràpidament
Un altre benefici fort en moltes aplicacions. A causa de la menor resistència interna entre altres factors, LiFePO4 pot acceptar la càrrega a un ritme molt superior a AGM. Això els permet carregar i disposar a utilitzar molt més ràpidament, la qual cosa comporta molts beneficis.
Característica: taxa de descàrrega baixa:
Comparació
- AGM - Descàrrega al 80% SOC al cap de 4 mesos
- LiFePO4 - Descàrrega al 80% després de 8 mesos
Beneficis
- Es pot deixar al magatzem per un període més llarg
Aquesta característica és àmplia per als vehicles d’esbarjo que només es poden fer servir un parell de mesos a l’any abans d’emmagatzemar durant la resta de l’any com ara caravanes, vaixells, motocicletes i motos jet, etc. A més d’aquest punt, LiFePO4 no es calcula i, fins i tot, fins i tot després de deixar-se perllongats durant el temps, és menys probable que la bateria quedi malmesa definitivament. Una bateria LiFePO4 no es veu perjudicada per no deixar-la emmagatzemada en un estat completament carregat.
Per tant, si les vostres aplicacions justifiquen qualsevol de les funcions anteriors, us assegureu que valgueu els diners que pagueu a la vostra quantitat extra en una bateria LiFePO4. A les properes setmanes es presentarà un article de seguiment que inclourà els aspectes de seguretat en LiFePO4 i diferents químiques de liti.
Pagament 100% segur
