Tot el que necessiteu saber sobre li

Tret que alguns Tony Stark entren i inventi el reactor Arc o la investigació sobre satèl·lits d'energia solar (SPS) per a la transferència d'energia sense fils, els humans hem de dependre de les bateries per alimentar els nostres dispositius electrònics portàtils o remots. El tipus de bateries recarregables més freqüent que es troba a l’electrònica de consum és l’ ió de liti o el tipus de polímer de liti. En aquest article, el nostre interès seria sobre les bateries de ions de Li, ja que solen ser més útils que la resta de tipus. Ja sigui un petit banc d’energia, un portàtil o alguna cosa tan gran com el nou Model 3 de Tesla, tot funciona amb una bateria de ions de liti.

Què fa que aquestes bateries siguin especials? Què se n’ha de saber abans d’utilitzar-ne un en els vostres projectes / dissenys? Com carregareu o descarregareu aquestes bateries de manera segura? Si teniu curiositat per conèixer les respostes a totes aquestes preguntes, heu arribat a l’article adequat, només cal que us assegueu i llegiu mentre intentaré que sigui el més interessant possible.

Historial de la bateria d’ions de liti

La idea de la bateria de ions de liti va ser inventada per primera vegada per GN Lewis el 1912, però es va fer factible només a la dècada de 1970 i la primera bateria de liti no recarregable es va introduir als mercats comercials. Més tard, als anys 80, els enginyers van intentar fabricar la primera bateria recarregable utilitzant liti com a material ànode i van tenir parcialment èxit. No es van adonar que aquest tipus de bateries de liti eren inestables durant el procés de càrrega i es crearia un curt a l'interior de la bateria augmentant la temperatura i provocant una fugida tèrmica.

El 1991, una d'aquestes bateries de liti utilitzades en mòbils va explotar al rostre d'un home al Japó. Només després d'aquest incident, es va adonar que les bateries d'ió Li havien de ser manipulades amb molta precaució. Una gran quantitat d'aquest tipus de bateries que es trobaven al mercat van ser recordades pels fabricants per qüestions de seguretat. Més tard, després de moltes investigacions, Sony va introduir les avançades bateries de ions Li amb una nova substància química que s’utilitza fins ara. Acabem les lliçons d’història aquí i analitzem la química d’una bateria de ions de liti.

Química i funcionament de la bateria d’ions de li

Com el seu nom indica, òbviament, les bateries de ions de liti fan servir els ions de liti per fer la feina. El liti és un metall molt lleuger amb una alta densitat d’energia, aquesta propietat permet que la bateria sigui lleugera i proporcioni un alt corrent amb un petit factor de forma. La densitat d’energia és la quantitat d’energia que es pot emmagatzemar per unitat de volum de la bateria, com més gran sigui la densitat d’energia, menor serà la bateria. Tot i les propietats aclaparadores del liti metàl·lic, no es pot utilitzar com a elèctrode directament a les bateries, ja que el liti és altament inestable per la seva naturalesa metàl·lica. Per tant, fem servir ions de liti que tenen més o menys la mateixa propietat d’un metall de liti, però no són metàl·lics i són relativament més segurs d’utilitzar.

Normalment, l’ànode d’una bateria de liti és de carboni i el càtode de la bateria es fa amb òxid de cobalt o algun altre òxid metàl·lic. L’electròlit que s’utilitza per connectar aquests dos elèctrodes serà una simple solució salina que conté ions de liti. En descarregar els ions de liti amb càrrega positiva, es mouen cap al càtode i el bombardegen fins que es carrega positivament. Ara, ja que el càtode està carregat positivament, atrau electrons carregats negativament cap a ell. Aquests electrons es fan fluir a través del nostre circuit i així alimenten el circuit.

De la mateixa manera, mentre es carrega, passa exactament el contrari. Els electrons de les càrregues flueixen a la bateria i, per tant, els ions de liti es mouen cap a l’ànode fent que el càtode perdi la seva càrrega positiva.

Introducció a les bateries de ions de liti

Ja n’hi ha prou de teoria sobre les bateries d’ions de liti, ara coneixem pràcticament aquestes cèl·lules perquè puguem tenir confiança en utilitzar-les en els nostres projectes. La bateria de ions de liti més utilitzada és la Cèl·lules 18650, de manera que en aquest article es parlarà de la mateixa cosa. A la imatge següent es mostra una cel·la típica de 18650

Com totes les bateries, la bateria de ions de Li també té una tensió i capacitat nominal. La tensió nominal nominal de totes les cèl·lules de liti serà de 3,6 V., de manera que necessiteu una especificació de tensió més alta, heu de combinar dues o més cel·les en sèrie per aconseguir-la. Per defecte, totes les cèl·lules de ions de liti tindran un voltatge nominal de només ~ 3,6 V. Es pot permetre que aquest voltatge baixi fins a 3,2 V quan estigui completament descarregat i pugi fins a 4,2 V quan estigui completament carregat. Recordeu sempre que descarregar la bateria per sota de 3,2 V o carregar-la per sobre de 4,2 V farà malbé la bateria permanentment i també pot convertir-se en una recepta per a focs artificials. Permet desglossar les terminologies implicades en una bateria 18650 perquè puguem entendre millor. Tingueu en compte que aquestes explicacions només s’apliquen per a una sola cèl·lula 18650; més endavant entrarem a les bateries de ions de Li, on es connecten més d’una cèl·lula en sèrie o paral·lel per obtenir tensions i corrents molt més elevats.

Voltatge nominal: el voltatge nominal és el voltatge nominal real d’una cèl·lula 18650. Per defecte, és de 3,6 V i seguirà sent el mateix per a totes les cèl·lules 18650 malgrat les seves fabricacions.

Tensió de descàrrega completa: una cèl·lula 18650 mai no s'ha de permetre descarregar per sota de 3,2 V, en cas que no ho faci, alterarà la resistència interna de la bateria, la qual cosa danyarà la bateria permanentment i també pot provocar una explosió

Voltatge de càrrega completa: el voltatge de càrrega de la cèl·lula de ions de liti és de 4,2 V. Cal tenir cura de que la tensió de la cèl·lula no augmenti 4,2 V en un moment donat.

Classificació mAh: la capacitat d’una cèl·lula es dóna normalment en termes de classificació mAh (hora de milli d’ampè). Aquest valor variarà en funció del tipus de cel·la que hàgiu comprat. Per exemple, suposem que la nostra cel·la aquí és de 2000 mAh, que no és res més que 2 Ah (Ampere / hora). Això vol dir que si traiem 2A d’aquesta bateria durarà 1 hora i de manera similar si traiem 1A d’aquesta bateria durarà 2 hores. Per tant, si voleu saber quant de temps funcionarà la bateria que projectareu (temps d'execució), haureu de calcular-la mitjançant la classificació mAh.

Temps d'execució (en hores) = Valoració actual extreta / mAh

On, el corrent extret ha d'estar dins del límit de qualificació C.

Classificació C: si alguna vegada us heu preguntat quina és la quantitat màxima de corrent que podeu treure d’una bateria, la resposta es pot obtenir a partir de la classificació C de la bateria. La qualificació C de la bateria torna a canviar per a cada bateria, suposem que la bateria que tenim és una bateria de 2Ah amb una qualificació de 3C. El valor 3C significa que la bateria pot generar 3 vegades la potència nominal nominal Ah que el seu corrent màxim. En aquest cas, pot subministrar fins a 6A (3 * 2 = 6) com a corrent màxim. Normalment, 18650 cèl·lules només tenen una classificació 1C.

Corrent màxim extret de la bateria = valor nominal C * valor nominal Ah

Corrent de càrrega: una altra especificació important d’una bateria que cal notar és el seu corrent de càrrega. El fet que una bateria pugui subministrar un corrent màxim de 6A no vol dir que es pugui carregar amb 6A. El corrent de càrrega màxim d’una bateria s’esmentarà a la fitxa tècnica de la bateria, ja que varia segons la bateria. Normalment serà de 0,5C, és a dir, la meitat del valor de la qualificació Ah. Per a una bateria de 2Ah, el corrent de càrrega serà 1A (0,5 * 2 = 1).

Temps de càrrega: es pot calcular el temps mínim de càrrega necessari per carregar una sola cel·la 18650 mitjançant el valor del corrent de càrrega i la classificació Ah de la bateria. Per exemple, una bateria de 2Ah amb una càrrega de 1A trigarà aproximadament 2 hores a carregar-se, suposant que el carregador només utilitza el mètode CC per carregar la cel·la.

Resistència interna (IR): es pot predir la salut i la capacitat d’una bateria mesurant la resistència interna de la bateria. Això no és res més que el valor de la resistència entre els terminals ànode (positiu) i càtode (negatiu) de la bateria. El valor típic d’IR d’una cel·la es mencionarà al full de dades. Com més es derivi del valor real, menys eficient serà la bateria. El valor de l’IR per a una cèl·lula 18650 estarà en el rang de milli ohms i hi ha instruments dedicats per mesurar el valor de l’IR.

Mètodes de càrrega: hi ha molts mètodes que es practiquen per carregar una cèl·lula de li-ion. Però la més utilitzada és la topologia de 3 passos. Els tres passos són CC, CV i càrrega per degoteig. En mode CC (corrent constant) la cel·la es carrega amb un corrent de càrrega constant variant la tensió d’entrada. Aquest mode estarà actiu fins que la bateria es carregui fins a un nivell determinat, i després el CV (voltatge constant)el mode s’inicia quan la tensió de càrrega es manté normalment a 4,2V. El mode final és la càrrega d’impulsos o la càrrega per degoteig on es fan passar petits impulsos de corrent a la bateria per millorar el cicle de vida de la bateria. També hi ha carregadors molt més complexos que impliquen 7 passos de càrrega. No aprofundirem molt en aquest tema, ja que queda fora de l’abast d’aquest article. Però si esteu interessats en conèixer la menció a la secció de comentaris i us permetré escriure un article separat sobre la càrrega de les cèl·lules d’ió Li.

Estat de càrrega (SOC)%: l'estat de càrrega no és altra cosa que la capacitat de la bateria, similar a les que es mostren al nostre telèfon mòbil. La capacitat d’una bateria no es pot calcular clarament amb la seva vàlvula de tensió, normalment es calcula mitjançant la integració de corrent per determinar el canvi de capacitat de la bateria al llarg del temps.

Profunditat de descàrrega (DOD)%: fins a quin punt es pot descarregar la bateria, el DOD proporciona. Cap bateria tindrà 100% de descàrregues, ja que, com sabem, la malmetrà. Normalment, es defineix una descàrrega del 80% per a totes les bateries.

Dimensió cel·lular: una altra característica única i interessant de la cel·la 18650 és la seva dimensió. Totes les cel·les tindran un diàmetre de 18 mm i una alçada de 650 mm, cosa que fa que aquesta cel·la rebi el nom de 18650.

Si voleu més definicions de terminologia, consulteu la documentació de terminologies de la bateria MIT, on segur que trobareu més paràmetres tècnics relacionats amb una bateria.

La forma més senzilla d'utilitzar una cèl·lula 18650

Si sou un principiant complet i acabeu de començar amb 18650 cel·les per alimentar el vostre projecte, la manera més senzilla seria fer servir mòduls readymade que puguin carregar i descarregar les vostres cel·les 18650 amb seguretat. Només aquest mòdul és el mòdul TP4056 que pot gestionar una sola cel·la 18650.

Si el projecte necessita més de 3,6 V com a tensió d’entrada, és possible que vulgueu combinar dues 18650 cel·les en sèrie per obtenir un voltatge de 7,4V. En aquest cas, utilitzar un mòdul com el mòdul de bateria de ions de Li 2S 3A ha de ser útil per carregar i descarregar les bateries amb seguretat.

Per combinar dues o més cèl·lules 18650 no podem utilitzar la tècnica de soldadura convencional per establir la connexió entre ambdues, sinó que s’utilitza un procés anomenat soldadura puntual. També mentre es combinen 18650 cèl·lules en sèrie o en paral·lel, s'ha de tenir més cura que es discuteix al paràgraf següent.

Paquet de bateries de ions de Li (cèl·lules en sèrie i paral·leles)

Per alimentar petits aparells electrònics portàtils o petits dispositius, una sola cel·la 18650 o, com a màxim, un parell d'ells en sèrie, seria el truc. En aquest tipus d'aplicacions, la complexitat és menor, ja que el nombre de bateries implicades és menor. Però per a aplicacions més grans, com ara un cicle elèctric / ciclomotor o un cotxe Tesla, haurem de connectar moltes d’aquestes cèl·lules en sèrie i de manera paral·lela per aconseguir el voltatge i la capacitat de sortida desitjats. Per exemple, el cotxe Tesla conté més de 6800 cèl·lules de liti cadascuna de 3,7 V i 3,1 Ah. La imatge següent mostra com es disposa dins del xassís del cotxe.

Amb aquest gran nombre de cel·les a controlar, necessitem un circuit dedicat que només pugui carregar, controlar i descarregar aquestes cel·les amb seguretat. Aquest sistema dedicat s’anomena Sistema de vigilància de la bateria (BMS). La tasca del BMS és controlar el voltatge de les cèl·lules individuals de cada cèl·lula de ions de liti i també comprovar-ne la temperatura. A part, alguns BMS també supervisen el corrent de càrrega i descàrrega del sistema.

Quan es combinen més de dues cel·les per formar un paquet, s’ha de procurar que tinguin la mateixa química, tensió, índex Ah i resistència interna. A més, mentre es carreguen les cel·les, el BMS s’assegura que es carreguin de manera uniforme i es descarreguin de manera uniforme, de manera que en un moment donat totes les bateries mantinguin el mateix voltatge, això s’anomena Equilibri de cèl·lules. A part d'això, el dissenyador també s'ha de preocupar de refredar aquestes bateries mentre es carrega i descarrega, ja que no responen bé durant les altes temperatures.

Espero que aquest article us proporcioni prou detalls perquè pugueu tenir una mica de confiança amb les cèl·lules d’ió Li. Si teniu dubtes específics, no dubteu a deixar la secció de comentaris i faré tot el possible per respondre. Fins llavors feliços retocs.