Baterías para Submarinos: Historia y Desarrollos (1ra parte)

Posiblemente usted ya sepa que la corriente eléctrica es un flujo de electrones, que circulan por un cable conductor. Los electrones tienen carga negativa, y como dos imanes a los que queremos acercar parte negativa con parte negativa o parte positiva con positiva, se repelen. Esto significa que un electrón repelerá a otro electrón, debido a que éstos tienen carga negativa. Pero, una carga positiva atraerá una carga negativa, como el electrón. Las baterías, por medio de una reacción química producen, en su terminal negativo, una gran cantidad de electrones (que tienen carga negativa) y en su terminal positivo se produce una gran ausencia de electrones (lo que causa que este terminal sea de carga positiva). Ahora, si esta batería alimenta un circuito cualquiera, hará que por éste circule una corriente de electrones que saldrán del terminal negativo de la batería, (debido a que éstos se repelen entre si y repelen también a los electrones libres que hay en el conductor de cobre), y se dirijan al terminal positivo donde hay un carencia de electrones, pasando a través del circuito al que está conectado.

Nuevas tecnologías al servicio de los SSK

Es posible que en tiempos muy remotos la gente ya hubiera explorado y probado la electricidad. Una batería muy rudimentaria de hace miles de años fue encontrada cerca de Baghdad en 1932. Era una batería que contenía un núcleo de hierro insertado en cilindro delgado de cobre. Tal vez fue diseñada para almacenar electricidad estática.

La historia de esta antigua batería tal vez nunca la sepamos, pero lo que si se sabe es que en la antigua Grecia ya se conocía el efecto que tenía una pieza de ámbar cuando era frotado con otro material: tenía la propiedad de atraer cuerpos ligeros. Pero la historia de la batería es mucho mas reciente. Alrededor de los años 1800, Alessandro Volta (de quien obtenemos el nombre de la unidad de medición de la diferencia de potencial: voltios) profesor de filosofía natural en la universidad de Pavia, construyó el primer aparato conocido que generó corriente continua. Lo que hizo fue poner dos pequeños discos del tamaño de una moneda pequeña, uno de plata y el otro de zinc en un recipiente, separados por un material esponjoso como el cuero. Todo este conjunto estaba sumergido en agua salada o en otra solución alcalina. A este conjunto le podemos llamar una pila. Volta después de dio cuenta de que si ponía estas pilas una seguida de otra, unidas por tiras de metal se lograba que el voltaje final fuera mayor.

En 1813, Sir Humphrey Davy conecto una batería gigante en el sótano de la Sociedad Real Británica. Esta batería estaba hecha de 2,000 pares de platinas y tenía el tamaño de más o menos 100 m2. Con esta batería realizó muchos experimentos que permitieron un más profundo conocimiento de la naturaleza de la electricidad.

Michael Faraday estaba utilizando pilas voltaicas para realizar estudios en electricidad y magnetismo. Descubrió que enviando corriente por un conductor, un campo magnético se inducía en un conductor paralelo (el inicio del electromagnetismo).

Continuando con sus estudios y experimentos Faraday descubrió en 1831 que un magneto en movimiento podía generar electricidad en un conductor cercano. De esta manera se dio nacimiento a la dinamo.

En 1860 Gastón Planté construyó el primer modelo de acumulador de plomo-ácido con pretensiones de ser un aparato utilizable, pero no tuvo éxito en esa momento. A finales del siglo XIX sin embargo la electricidad se iba convirtiendo rápidamente en artículo cotidiano y cuando Planté volvió a explicar públicamente las características de su acumulador en 1879 tuvo una acogida mucho mejor, de modo que comenzó a ser fabricado y utilizado casi inmediatamente, iniciándose un intenso y continuado proceso de desarrollo para perfeccionarlo y soslayar sus deficiencias, proceso que dura hasta nuestros días.

La batería y la corriente eléctrica

Posiblemente usted ya sepa que la corriente eléctrica es un flujo de electrones, que circulan por un cable conductor. Los electrones tienen carga negativa, y como dos imanes a los que queremos acercar parte negativa con parte negativa o parte positiva con positiva, se repelen. Esto significa que un electrón repelerá a otro electrón, debido a que éstos tienen carga negativa. Pero, una carga positiva atraerá una carga negativa, como el electrón. 

Las baterías, por medio de una reacción química producen, en su terminal negativo, una gran cantidad de electrones (que tienen carga negativa) y en su terminal positivo se produce una gran ausencia de electrones (lo que causa que este terminal sea de carga positiva). Ahora, si esta batería alimenta un circuito cualquiera, hará que por éste circule una corriente de electrones que saldrán del terminal negativo de la batería, (debido a que éstos se repelen entre si y repelen también a los electrones libres que hay en el conductor de cobre), y se dirijan al terminal positivo donde hay un carencia de electrones, pasando a través del circuito al que está conectado.

 De esta manera se produce la corriente eléctrica. El proceso químico no se presenta por tiempo indefinido, sino que después de algún tiempo deja de tener efecto (Se nota porque su voltaje va disminuyendo). Esta es la causa de que las baterías tengan una vida finita. Una de las pilas más conocida es la pila seca. Ver la figura.

Por medio de una reacción química la cubierta de zinc atrae electrones y se carga negativamente y el carbón pierde electrones y se carga positivamente. Debido a que la reacción química oxida el zinc la pila tiene una vida limitada.

Baterías eléctricas, Acumulador eléctrico o Pila

Se llama acumulador eléctrico, o simplemente acumulador, a un dispositivo que almacena energía eléctrica por procedimientos electroquímicos y que  devuelve posteriormente en su casi totalidad. Este ciclo puede repetirse determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario, es decir, de un generador que no puede funcionar a no ser que se le haya suministrado electricidad previa-mente mediante lo que se denomina proceso de carga.

También se le suele denominar batería, puesto que muchas veces se conectan varios de ellos en serie, para aumentar el voltaje suministrado. Así la batería de un automóvil está formada internamente por 6 elementos acumuladores del tipo plomo-ácido, cada uno de los cuales suministra electricidad con una tensión de unos 2V, por lo que el conjunto entrega los habituales 12V o por 12 elementos, con 24 V para los camiones.

El término pila, en castellano, denomina los gene-radores de electricidad no recargables. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas — en el primer caso uno encima de otro, "apilados", y en el segundo adosados lateralmente, "en batería"— como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. De esta explicación se desprende que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier tipo, pero la costumbre ha fijado la distinción.

¿Qué sucede en el interior de una batería de Plomo Acido?

 Cuando una batería está descargada está teniendo lugar un cambio electroquímico del material activo en ambos electrodos. En términos sencillos el material en el electrodo negativo se oxida y se liberan electrones por lo que se convierte en más negativo (reacción canódica). Al mismo tiempo el material en el electrodo positivo se reduce y el electrodo se convierte en más positivo (reacción catódica). Los electrones viajan entre los electrodos por un circuito exterior el cual conecta el polo positivo con el negativo.

    El proceso produce sulfato de plomo tanto en
la placa positiva como en la negativa.

El electrolito despide oxígeno e hidrogeno en estado gaseoso los cuales salen de la batería como deshecho liberado durante las reacciones producidas. Las reacciones dentro de una batería de plomo ácido, se pueden describir utilizando las ecuaciones siguientes. La reacción del polo positivo se muestra en la ecuación 1, la del polo negativo en la ecuación 2 y la reacción del total de la celda, en la ecuación 3:

1) ELECTRODO POSITIVO; PbO2 +3H++HSO4- + 2e- * 2H2O + PbSO4

2) ELECTRODO NEGATIVO; Pb + H2SO4 * 2PbSO4 + 2H+ + 2e-

3) REACCIÓN COMPLETA DE LA CELDA; PbO2 + Pb + H2SO4 * 2PbSO4 + 2H2O + energía

El material permanece estable hasta que los electrodos son conectados eléctricamente. Cuando son conectados, los electrones fluyen del polo positivo al negativo y se da la reacción.

El voltaje generado entre los electrodos de 2V.

La batería puede ser cargada con un voltaje exterior de 2.2-2,4V. Todas las ecuaciones son reversibles, pueden ir de izquierda a derecha como de derecha a izquierda. (Ver capítulo de "la carga").

El proceso químico en las baterías OPTIMA es el mismo que el de una batería convencional de plomo ácido. Como se verá más tarde es en el diseño de la batería en lo que Óptima se diferencia.

De todos modos después, cuando se comparen los dos diseños podremos ver los diferentes tipos de baterías de plomo ácido que existen.

GLOSARIO QUÍMICO:

H2O=Agua

e=Electrones

PbSO4=Sulfato de plomo

Pb = Plomo esponjoso

PbO2=Óxido de plomo

H2SO4=Ácido sulfúrico

H=HidrógenoO=Oxígeno

Efectos del calor sobre las baterías

La potencia de la batería se reduce cuando se expone al calor (el mejor funcionamiento de las Baterías se da entre + 20º C y +40º C). Una reducción de la potencia debido al recalentamiento no lleva a ser generalmente evidente hasta que la batería se use en condiciones frías. Esto sucede por la acción corrosiva que se da cuando las baterías se utilizan a temperaturas altas.

El Problema

El problema es que la reacción química es más rápida a temperaturas más altas. La batería puede producir la energía más rápidamente, lo cual significa que se incrementa la corrosión de los electrodos. Además la cantidad de gases aumenta se evapora agua y el ácido se concentra más, lo cual ayuda a acelerar la corrosión.

Batería de polímero de litio LI-PO

El litio-polímero se diferencia de los sistemas de baterías convencionales en el tipo de electrolito utilizado.  El diseño original, que data de la década de 1970, utiliza un electrolito de polímero sólido seco.  Esto se asemeja a un electrolito, como las películas de plástico que no conduce la electricidad, sino que permite el intercambio de iones (átomos cargados eléctricamente o grupos de átomos).  El electrolito de polímero sustituye a la porosidad de separación tradicional, que está empapado con el electrolito. El diseño polímero seco ofrece simple-ficaciones en lo que respecta a la fabricación, durabilidad, la seguridad y la geometría de perfil delgado.  Con un grosor de celda de tan sólo un milímetro (0,039 pulgadas), los diseñadores de equipos se dejan a su propia imaginación en cuanto a forma y tamaño.

Por desgracia, el litio-polímero seco sufre de mala conductividad. La resistencia interna es demasiado alta y no puede entregar la demanda de corriente necesaria para la potencia de los modernos dispositivos de comunicación y la de los discos rígidos de los equipos de informática móvil.  La temperatura de la celda a 60 ° C (140 ° F) y superior aumenta la conductividad, un requisito que no es adecuado para aplicaciones portátiles.

 De iones de litio-polímero no ha beneficiado a tanta rapidez como algunos analistas habían esperado.  Su superioridad sobre otros sistemas y fabricación de bajo coste no se ha realizado.  No hay mejoras en incrementos de capacidad se logren - de hecho, la capacidad es ligeramente menor que la del litio-ion batería estándar.  De iones de litio-polímero (Li-Po) encuentra su nicho de mercado en finas obleas, geometrías, tales como baterías para las tarjetas de crédito y otras aplicaciones. Es por ello, que las Li-PO no las seguiremos analizando en este artículo, dado que no son viables para bancos de potencia, como para submarinos.

 La batería de iones de litio 

 El trabajo pionero con la batería de litio se inició en 1912 bajo GN Lewis, pero, no fue hasta la década de 1970 cuando estas baterías recargables estuvieron por primera vez disponibles en el mercado.  El litio es el más ligero de todos los metales, tiene el mayor potencial electroquímico y proporciona la densidad de energía mayor para el peso.

Los intentos para desarrollar baterías de litio recargables fallaron en ese momento, debido a problemas de seguridad.  Debido a la inestabilidad inherente del metal de litio, especialmente durante la carga. Es por ello que se cambió a Li-ion, aunque ligeramente más bajos en densidad de energía que el metal de litio, se cambió a litio-ion por que mas es seguro, siempre que se cumplan ciertas precauciones durante la carga y descarga.

La densidad de energía del litio-ion es típicamente el doble de la de níquel-cadmio estándar.  Existe la posibilidad de densidades de energía más altas. Las características de carga son razonablemente buenas y se comportan de manera similar al níquel-cadmio en los términos de la descarga.  El voltaje de la célula de alta de 3,6 voltios permite paquete de diseños de baterías con una sola célula.  La mayoría de los teléfonos móviles de hoy en día se ejecutan en una sola celda.  Un paquete de base de níquel requeriría tres voltios 1,2 células conectadas en serie.

De iones de litio es una batería de bajo mantenimiento, una ventaja que la mayoría de otros productos químicos no pueden reclamar. Además, la autodescarga es menos de la mitad en comparación con el níquel-cadmio.

A pesar de sus ventajas generales, de litio-ion tiene sus inconvenientes.  Es frágil y requiere un circuito de protección para mantener una operación segura. Construido en cada pack, el circuito de protección limita el pico de tensión de cada celda durante la carga y evita que el voltaje de la célula caiga demasiado bajo en la descarga.  Además, la temperatura de la célula se controla para evitar temperaturas extremas.  La carga máxima y la corriente de descarga en la mayoría de los paquetes se está limitada entre 1C y 2C (mas adelante veremos que son estas tasas “C”).

El envejecimiento es una preocupación con la mayoría de las baterías de ion-litio y muchos fabricantes guardan silencio sobre esta cuestión.  En algunos el deterioro de la capacidad se nota después de un año, si la batería está en uso o no.  La batería falla con frecuencia después de dos o tres años de uso continuo.  Cabe señalar que otros químicos también tienen efectos degenerativos relacionados con la edad.  Esto es especialmente cierto para el níquel-metal-hidruro (manganeso) si se expone a altas temperaturas ambientales.  Al mismo tiempo, los packs de iones de litio son conocidos por haber trabajado durante cinco años en algunas aplicaciones.

Los fabricantes están mejorando constantemente de litio-ion.  Nueva y mejorada combinaciones químicas se introducen cada seis meses aproximadamente. 

Almacenamiento de las Li-ion.

 El almacenamiento en un lugar fresco, retarda el proceso de envejecimiento para las iones de litio (y otros químicos). Los fabricantes recomiendan temperaturas de almacenamiento de 15 ° C (59 ° F).  Además, la batería debe ser cargada parcialmente durante el almacenamiento. El fabricante recomienda un 40% de la carga.

Ventajas y desventajas de las Li-ion: 

 Ventajas 

•  Alta densidad de energía - el potencial de las capacidades aún más alto. 

•  No necesita imprimación prolongada cuando son nuevas.  Una carga regular es todo lo que necesita. 

•  La relativamente baja auto-descarga - la auto descarga es menos de la mitad que de las basadas en baterías de níquel. 

•  Bajo mantenimiento - no descarga periódica es necesaria, no hay memoria. 

•  células especializadas puede proporcionar una corriente muy alta para aplicaciones como herramientas de potencia. 

 Limitaciones 

•  Requiere protección de circuito para mantener el voltaje y la corriente dentro de límites seguros. 

•  A reserva de envejecimiento, aun cuando no esté en uso - almacenamiento en un lugar fresco y el 40% de la carga reduce el efecto de envejecimiento. 

•  restricciones de transporte - el envío de grandes cantidades pueden estar sujetos a los controles reglamentarios.  Esta restricción no se aplica a personal de equipaje de las baterías. 

•  Caro para fabricar - cerca del 40 por ciento más alto en el costo de níquel-cadmio. 

•  No es completamente maduros - metales y productos químicos están cambiando en forma permanente.

 La potencia de litio-ion

La mayoría de las baterías de ion-litio para aplicaciones portátiles son a base de cobalto. El sistema consta de un óxido de cobalto electrodo positivo (cátodo) y un grafito de carbón en el electrodo negativo (ánodo).  Una de las principales ventajas de la batería basada en el cobalto es su alta densidad de energía. Largo tiempo de ejecución hace que esta química atractivo para los teléfonos celulares, computadoras portátiles y cámaras. 

El ampliamente utilizado-a base de litio-ion cobalto tiene inconvenientes, sino que ofrece una corriente de descarga relativamente bajo.  Una carga alta se sobrecaliente el paquete y su seguridad se vería comprometida.  El circuito de seguridad de la base de la batería de cobalto se limita normalmente a una velocidad de descarga y carga de alrededor de 1C (Esto significa que una célula de por ejemplo 2400mAh sólo se puede cargar y descargar con una corriente máxima de 2.4ª).  Otra desventaja es el aumento de la resistencia interna que se produce con el ciclismo y el envejecimiento.  Después de 2-3 años de uso, el paquete se convierte a menudo fuera de servicio debido a una caída de tensión bajo carga que es causada por la resistencia interna alta.

El cátodo de óxido de cobalto litio tiene "capas" estructuras. 

Los iones de litio se muestran unidos a la de óxido de cobalto.  Durante la descarga, los iones de litio se mueven desde el cátodo al ánodo.  El flujo se invierte en la carga. En 1996, los científicos lograron en el uso de óxido de manganeso de litio como material del cátodo.  Esta sustancia forma una estructura tridimensional espinela,  mejora el flujo de iones entre los electrodos.

El flujo de iones en alta disminuye la resistencia interna y la capacidad de carga aumenta.  La resistencia se mantiene baja con el ciclismo, sin embargo, la batería tiene la edad y la vida útil total es similar a la de cobalto.  Las de Manganeso (Espinela) tiene una alta estabilidad térmica inherente pero también necesita un circuito de sistema de seguridad. 

La batería de Manganeso también tiene deficiencias. Uno de los inconvenientes más importantes es la baja capacidad de almacena-miento, en comparación con el sistema basado en el cobalto.   A pesar de ello, la espinela todavía proporciona una densidad de energía que es aproximadamente un 50% superior a la de una en base a níquel.

 

 Tipos de baterías de iones de litio 

Las de litio-ion no ha alcanzado aún la velocidad y la tecnología está mejorando continuamente.  El ánodo en las células de hoy se compone de una mezcla de grafito y el cátodo es una combinación de litio y la elección de otros metales.  Cabe señalar que todos los materiales en una batería tiene una densidad de energía teórica.  Con litio-ion, el ánodo está bien optimizado y pequeñas mejoras se pueden obtener en términos de cambios de diseño.  El cátodo, sin embargo, demuestra la promesa de futuras mejoras.  la investigación de la batería es por lo tanto se centra en el material del cátodo.  Otra parte que tiene potencial es el electrolito. El electrolito sirve como un medio de reacción entre el ánodo y el cátodo.

Quimica	Tension Nominal (V)	Limite de Carga (v)	Tasa "C" de Carga y Descarga	Densidad de Energía Wh/Kg	Aplicaciones mas comunes	Nota:
Cobalto	3.6 V	4.2 V	1C	110-190	Celulares - Camaras - Laptos	Desde los 90´s más comúnmente usada por dispositivos portátiles, con alta densidad de energía
Manganeso (espinela)	3.7-3.8 V	4.2 V	10C Continuo - 40C Pulsos	110-120	Herramientas Electricas - Equipamiento Medico	Baja resistencia interna, ofrece alta tasa de corriente, carga rápida, pero baja densidad de energía
NCM (Niquel-Cobalto-Manganeso)	3.7 V	4.10 V(*)	aprox 5C Continuo - 30C Pulsos	95-130	Herramientas Electricas - Equipamiento Medico	Aleaciones de Níquel, Cobalto y Manganeso, provee   un mix entre alta densidad de corriente, y gran capacidad
A123 System (Fosfato de Hierro)	3.2-3.3 V	3.6 V (*)	35C Continuo	95-140	Herramientas Electricas - Equipamiento Medico	Nuevas baterías, con alta tasa de corriente, gran cantidad de ciclos de vida. La alta tensión de carga aumenta la capacidad pero reduce los ciclos de vida de la batería

(*) Altos voltajes, proveen más capacidad pero reducen los ciclos de vida de la batería

La industria de las baterías es la capacidad de tomar capacidades incrementales de 8-10% anual.  Esta tendencia se espera que continúe.  Esto, sin embargo, dista mucho de la Ley de Moore que especifica el doble de capacidad de transistores en un chip cada 18 a 24 meses.  Traducir este aumento a una batería, significaría una duplicación de la capacidad cada dos años.  En lugar de dos años, las de iones de litio se ha duplicado su capacidad energética en 10 años.

Hoy las de litio-ion viene en muchos "sabores" y las diferencias en la composición son en su mayoría relacionados con el material del cátodo.  Tabla 1 se resumen los más comúnmente utilizados de litio-ion en el mercado hoy.  Para simplificar, se resumen los químicos en cuatro grupos, que son cobalto, manganeso, NCM y fosfato.

El cobalto-base de litio-ion apareció por primera vez en 1991, introducido por Sony. Esta química de la batería ha ganado la aceptación rápida debido a su alta densidad de energía.  Posiblemente debido a la densidad de energía más baja, las de litio-ion Manganeso (espinela) tuvo un comienzo más lento.  Cuando se introdujo en 1996, el mundo exige más tiempo de autonomía por encima de cualquier otra cosa.  Con la necesidad de que la tasa actual, de tener una alta capacidad en muchos dispositivos portátiles, las de manganeso (espinela) se ha trasladado ahora a la primera línea. Las necesidades son tan grandes que los fabricantes de estas baterías no son capaces de satisfacer la demanda. Esta es una de las razones por las que poco se hace publicidad para promover este producto.  Otros jugadores importantes en base de litio-ion Manganeso (espinela) es Sanyo, Panasonic y Sony.

Sony se centra en las versiones de níquel-cobalto manganeso (NCM).  El cátodo incorpora cobalto, níquel y manganeso en la estructura cristalina que se forma un óxido de metal de varios materiales a los que el litio es añadido.  El fabricante ofrece una gama de diferentes productos de esta familia de la batería, que atienden a usuarios que, o bien las necesidades de alta densidad de energía o capacidad de carga.  Cabe señalar que estos dos atributos no se pudieron combinar en un solo y mismo paquete, y hay un compromiso entre las dos.  Tenga en cuenta que los cargos NCM a 4.10V/cell, 100 mV menor que el cobalto y la espinela. La carga de la batería con esta química a 4.20V/cell proporcionaría mayor capacidad, pero el ciclo de vida se acortó.  En lugar de los habituales 800 ciclos realizados en un entorno de laboratorio, el conteo de ciclos se reduciría a unos 300.

La última incorporación a la familia de iones de litio, es el Sistema de A123 (fosfato de hierro), en los que los nano materiales se agregan en el cátodo. Esta celda puede ser descargada constantemente al 100% de profundidad de descarga a 35 º C y pueden resistir impulsos de descarga de hasta 100C.  El sistema basado en fosfato tiene un voltaje nominal de alrededor de 3.3V/cell y tensión de carga máxima es 3.60V.  Esto es inferior a la base de litio-ion de cobalto y la batería requiere un cargador especial, ya que se carga a otra tensión distinta.

En la Figura siguiente se compara la densidad de energía (Wh / kg) de los tres químicas de iones de litio, contra los tradicionales de plomo ácido, níquel-cadmio, níquel-metal-hidruro.  Se puede ver la mejora progresiva de manganeso y fosfatos en las tecnologías más antiguas.  Cobalto ofrece la mayor densidad de energía, pero es menos estable al calor y no puede entregar altas corrientes de carga. 

De litio-cobalto goza de la más alta densidad de energía.  pero los sistemas de fosfato y manganeso son más estables.

Figura: la densidad energética de químicas de la batería común

Definición de densidad de energía y densidad de potencia.

Densidad de energía (Wh / kg) es una medida de cuánta energía una batería puede mantener.  Las de iones de litio con cátodos de cobalto ofrecen la mayor densidad de energía.  Las aplicaciones típicas son los teléfonos móviles, ordenadores portátiles y cámaras digitales. 

Las baterías con alta densidad de potencia se utilizan para herramientas eléctricas, aparatos médicos y sistemas de transporte. 

 Una analogía entre la energía y el poder densidades se pueden hacer con una botella de agua.  El tamaño de la botella es la densidad de energía, mientras que la apertura denota la densidad de potencia.  Una botella grande puede llevar un montón de agua, mientras que una gran abertura de poros la puede entregar más rápidamente.  El recipiente grande con una boca ancha es la mejor combinación. 

Métodos de descarga.

El propósito de una batería es almacenar energía y liberarla en el momento oportuno de una manera controlada.  En esta sección examinaremos el desempeño en diferentes tipos de “C”, y evaluar la profundidad a la que una batería, con seguridad puede ser utilizada.  También se observa cómo las descargas profundas afectan a la vida de la batería. 

 ¿Qué es tasa “C”?

La carga y descarga de corriente de una batería se mide con la tasa “C”.  La mayoría de pilas y acumuladores portátiles están clasificados a 1C.  Esto significa que una batería de 1000mAh que proporcionan 1000mA durante una hora si se descarga a 1C tasa.  La misma batería descargada en 0.5C proporcionaría 500 mA durante dos horas.  En 2C, la batería 1000mAh emitiría 2000mA durante 30 minutos.  1C se refiere a menudo como una descarga de una hora, un 0,5 ° C sería una de dos horas, y un 0.1C una descarga de 10 horas.

 Figura: La longevidad de litio-ion en función de la carga y descarga de las tasas “C”.

Prolongada duración de la batería a través de la moderación.

Las Baterías Li-ion, pueden vivir más tiempo si se tratan de una manera apacible.  El alto voltaje en la carga, niveles de descarga excesiva y las condiciones extremas de carga tienen un efecto negativo en la vida de la batería.  La longevidad es a menudo una consecuencia directa de las tensiones ambientales aplicadas. Las siguientes guías sugieren las formas de prolongar la duración de la batería.

 -El momento en que la batería se queda en 4.20/cell debe ser lo más corto posible.  La  alta tensión prolongada promueve la corrosión, especialmente a temperaturas elevadas.  Las Li-ion de Manganeso es menos sensible a la alta tensión.

 -3.92V/cell Es el mejor umbral de tensión superior a base de litio-cobalto-ion.  La carga de baterías para este nivel de tensión, se ha demostrado al doble del ciclo de vida.  Las baterías de  iones de litio para aplicaciones de sistemas de defensa (submarinos por ejemplo) hacer uso del umbral de tensión más bajo.  La negativa es una menor capacidad de energía

 -La corriente de carga de Li-ion debe ser moderada (0,5 ° C para la base de litio-ion cobalto).  

 -No descargar de litio-ion con demasiada profundidad.  En cambio, lo carga con frecuencia. Litio-ion no tiene problemas de memoria como el cadmio-níquel baterías, con lo que la utilización frecuente en ciclos cortos no la afecta.

No sólo una-ion litio va a vivir más tiempo con la desaceleración del nivel de carga y descarga a tasas “C” moderadas.  Figura de abajo se muestra el ciclo de vida en función de la carga y descarga a distintas tasas “C”.  Tenga en cuenta las prestaciones vistas en los laboratorios desde el punto de carga y velocidad de descarga del 1C en comparación con el 2 y 3C. 

Batería de iones de problemas de seguridad

Cuando Sony presentó la batería de iones de litio en el año 1991, sabían de los riesgos potenciales en la seguridad. El sistema de litio-ion es seguro, siempre que se cumplan ciertas precauciones durante la carga y descarga.  Hoy en día, las baterías de iones de litio son unos de los más exitosos y seguros en la química de las baterías disponibles.  Dos mil millones de células se producen cada año.

Las células de litio-ion con cátodos de cobalto tienen el doble de energía de una batería de níquel-base y cuatro veces la de plomo-ácido.  Las de iones de litio es un sistema de bajo mantenimiento, una ventaja que la mayoría de otros productos químicos no pueden reclamar.  No hay memoria, tampoco las de iones de litio tiene el problema de la sulfatación que si tienen las de plomo ácido, que se produce cuando la batería se almacena.  Litio-ion tiene una baja auto-descarga, menos del 3%.

La alta densidad de energía tiene un precio. Con un espesor de separación de sólo 20-25μm, cual-quier intrusión de partículas pequeñas de polvo metálico puede tener consecuencias devastadoras.  Las baterías de litio-ion están a punto de su ener-gía límite de la densidad teórica y sus fabricantes están empezando a centrarse en mejorar los métodos de fabricación y aumentar la seguridad.

Retirada de las baterías de iones de litio.

Con el alto uso de iones de litio en los teléfonos celulares, cámaras digitales y ordenadores portátiles, no son cuestiones menores.  Un uno-en-200,000, que es el índice de fracasos, provocó una retirada de los casi seis millones de paquetes ion-litio utilizados en computadoras portátiles fabricadas por Dell y Apple.

Estos fallos relacionados con calor en las baterías son tomadas muy en serio, y los fabricantes optado por un enfoque conservador.  Sony Dis-positivos de Energía (Sony), el fabricante de las células del ion-litio, dice que en raras ocasiones las partículas microscópicas de metal pueden entrar en contacto con otras partes de la célula de la batería, provocando un corto circuito dentro de la célula.  Aunque los fabricantes de baterías se esfuerzan por reducir al mínimo la presencia de partículas metálicas, el montaje con técnicas complejas, hace que la eliminación de todo polvo metálico resulte casi imposible. 

Iones de litio, daños en la batería de un portátil. Según Sony, la contaminación de Cu, Al, Fe y Ni partículas durante el proceso de fabricación puede provocar un cortocircuito interno.

Un leve corto sólo daría lugar a una elevada auto-descarga. Sin embargo, si las partículas metálicas microscópicas suficientes convergen en un punto, hace un cortocircuito eléctrico grave, y puede desarrollarse una corriente que fluirá entre las placas positivas y negativas.  Esto hace que la temperatura aumente, lo que lleva a un aumento de temperatura, que produce lo que se llamada "ventilación con llama."

 -Ion de litio con células de cátodos de cobalto (igual que la baterías de portátiles) nunca debe elevarse por encima de 130 ° C (265 ° F).  A 150 ° C (302 ° F), la célula se convierte en inestables al calor, una condición que puede llevar a una corrida o aumento térmico, en la que los gases se ventilan con llamas. 

Cuando sucede esto, las altas temperaturas de la célula no se pueden propagar a la celda siguiente, haciendo que ésta se inestables al calor, también. Un paquete puede conseguir destruirse en unos pocos segundos o persistir por varias horas, ya que cada celda se consume uno por uno. Para aumentar la seguridad, los paquetes están equipados con separadores para proteger a la célula, para que no se propague a las células vecinas. Cosa que en un submarino es un tema crucial, y deberá tener sistemas que monitoreen la temperatura muy detenidamente. 

Dentro de los tipos de baterías de Li-ion, reaccionan ante el aumento de temperatura en distintos momentos. Como podemos ver en el siguiente gráfico, muestra que las baterías de aleación de Cobalto, reaccionan violentamente a más bajas temperaturas, incluso explotando. Las de Manganeso (Espinela) lo hacen a una mayor temperatura pero aunque sin explotar, levantan temperatura por un largo tiempo. Por último, esta la A123, que son las producidas en base a Fosfato de Hierro, estas son muchos más estables y no hay una reacción violenta como las otras dos anteriores. Como podemos ver, las baterías Li-ion en base a Fosfato de Hierro, son muchísimas más seguras que las otras, por lo que a la hora de analizarlas más adelante para instalarlas en un SSK, no es un tema menor.

 Niveles de seguridad en las baterías Li-ion 

 Los fabricantes de baterías aseguran una alta fiabilidad, añadiendo tres capas de protección.  Ellos son: [1] que limita la cantidad de material activo para alcanzar un equilibrio viable de densidad de energía y seguridad; [2] inclusión de varios mecanismos de seguridad dentro de la célula, y [3], la adición de un circuito de protección electrónica en el paquete de baterías. 

Estos dispositivos de protección de trabajo, funcionan de la siguiente manera: El dispositivo PTC integrado en la célula, actúa como una protección para inhibir sobre intensidades, el circuito del dispositivo de interrupción (CID) ha abre el circuito eléctrico si una carga de alta tensión en exceso aumenta la presión interna de la célula a 10 bar (150 psi), y la ventilación de seguridad permite una liberación controlada de gas en caso de un rápido aumento de la presión de la célula.  Además de las garantías mecánicas, el circuito de protección electrónica externa de las células abre un interruptor de estado sólido, si la tensión de carga de cualquier celda alcanza 4.30V.  Un fusible corta el flujo de corriente si la temperatura de la carcasa de la célula se aproxima a 90 ° C (194 ° F).  Para evitar que la batería tenga un exceso de descarga, el control de cortes de circuito esta cerca de 2.50V.

En estas circunstancias normales, una batería de litio-ion simplemente se apaga cuando se produce un cortocircuito.  Sin embargo, si un defecto es inherente a la celda electroquímica, tales como la contaminación causada por las partículas metálicas microscópicas, esta anomalía no se detectan por el (BMS) sistema de manejo o control de la batería. Tampoco una vez que la célula está fuera de control desde el punto de vista térmico, nada puede detener una vez que esta se accionen, recomendando el fabricante solamente desalojar la gente, e inundar la batería con agua. Esto último es complicado si hablamos si están en un submarino.

Otro problema de seguridad es la baja temperatura en la carga, no se puede cargar por debajo de 0 ° C (32 ° F). Ya que a esas temperaturas se produce un efecto de galvanoplastia del litio metálico en el ánodo.  Este revestimiento es permanente y no se puede quitar.  Si se hace varias veces, tal daño puede comprometer la seguridad del envase.  La batería se vuelve más vulnerable a problemas si luego se someten a impactos, aplastamientos o la tasa de carga altas.

 ¿Pueden las baterías de plomo-ácido competir en los tiempos modernos? 

La respuesta es SÍ.  Las de plomo-ácido es el más antiguo sistema de baterías recargables en existencia.  Inventado por el médico francés Gastón Planté en 1859, de plomo-ácido de baterías recargables fue la primera para uso comercial.  150 años después, todavía no tenemos alternativas efectivas de costo para los coches, sillas de ruedas, scooters, carros de golf y los sistemas de UPS. 

 Las de plomo-ácido no se prestan para una carga rápida. Para prevenir la sulfatación, la batería siempre debe ser almacenada en un estado de carga.  Si deja la batería en una condición de descarga causas sulfatación y la recarga de una vez no va a ser posible.

Encontrar el límite de tensión de carga ideal es crítico.  Una tensión alta (por encima de 2.40V/cell) produce un buen rendimiento de la batería, pero acorta la vida útil gracias a la red de corrosión en la placa positiva.  Un límite de baja tensión está sujeto a la sulfatación de la placa negativa.  Si deja la batería en carga de flotación por un tiempo prolongado, no produce daño.

A las de plomo-ácido no le gusta el ciclismo en profundidad (carga y descarga completa).  Una descarga completa causa tensión adicional y cada ciclo roba la batería algo de vida útil.

La batería de plomo-ácido tiene una de las densidades de energía más bajo, por lo que es inadecuado para dispositivos portátiles.  Además, el rendimiento a bajas temperaturas es marginal.  La auto-descarga es de aproximadamente 40% por año, uno de los mejores en las baterías recargables.  En comparación, el níquel-cadmio la auto-descargas que esta cantidad se produce a los tres meses.  El alto contenido de plomo hace que el plomo-ácido sea para el medio ambiente bastante hostil a la hora de desecharla. La vida útil de una batería de plomo-ácido puede, en parte, ser medido por el espesor de las placas positivas.  Cuanto más gruesas las placas, más larga la vida tendrá.  Durante la carga y descarga, el plomo de las placas será carcomido en forma gradual, y el sedimento cae al fondo.  El peso de una batería es un buen indicador del contenido de plomo y la esperanza de vida de esta.

Carga de baterías de ion-litio.

 La mayoría de las células se cargan a 4,20 voltios con una tolerancia de + /? 0.05V/cell. La carga a sólo 4.10V reduce la capacidad en un 10%, pero ofrece una vida útil más larga La figura de abajo, muestra el voltaje y la firma actual como la batería de litio-ion al cargarla pasa a través de las siguientes etapas. 

La carga completa se alcanza después de que el umbral de tensión se ha alcanzado y la corriente se ha reducido al 3% de la corriente nominal o se ha estabilizado. El aumento de la corriente de carga no acorta el tiempo de carga por mucho.  Aunque el pico de tensión se llega más rápido con una mayor corriente de carga, la carga del topping tomará más tiempo. Una carga de mantenimiento continuo por encima 4.05V/cell sería causas de galvanoplastia del litio metálico que podría conducir a la inestabilidad y la seguridad se pone en compromiso.

 ¿Qué sucede si una batería está sobrecargada sin darse cuenta?  las de iones de litio están diseñadas para funcionar con seguridad, dentro de su tensión de funcionamiento normal, pero se vuelven inestables si se le acusa a tensiones superiores.  Cuando la carga por encima de 4.30V, la célula provoca galvanoplastia del litio metálico en el ánodo, el material del cátodo se convierte en un agente oxidante, pierde la estabilidad y el oxígeno libera.  La sobrecarga hace que la célula se caliente.  Si no se corrige este problema, la célula podía provocar ventilación con la llama para algunos tipos de baterías de Li-ion.

Cargador de iones con más carga, no acorta el tiempo de carga por mucho.  Aunque el pico de tensión se alcanza más rápidamente con corriente más alta, la carga del topping tomará más tiempo.

Carga de la batería de plomo-ácido.

Se tarda aproximadamente 5 veces más tiempo para recargar una batería de plomo-ácido al mismo nivel como lo hace la descarga.  En base baterías de níquel-, esta relación es de 1:1, y 1:02  aproxi-madamente en el litio-ion.

Un cargador de múltiples etapas primero se aplica una corriente de carga constante, aumentando el voltaje de la célula a una tensión preestablecida (fase 1 en la Figura).  Etapa 1 tarda unas 5 horas y la batería está cargada al 70%.  Durante la carga del topping en la Etapa 2 que sigue, la corriente de carga se reduce gradualmente en la celda y está siendo saturada.  La carga del topping toma otras 5 horas y es esencial para el bienestar de la batería.  Si se omite, la batería eventualmente perdería la posibilidad de aceptar una carga completa. La carga completa se alcanza después de la tensión ha alcanzado el umbral y la corriente se ha reducido al 3% de la corriente nominal o se ha estabilizado.  La última etapa 3 es la carga de flotación, lo que compensa la autodescarga. 

El ajuste correcto de los límites de tensión son fundamentales y van desde 2.30V a 2.45V.  Establecer el límite de tensión es un compromiso.  En un extremo, la batería quiere estar completamente cargada para conseguir la máxima capacidad y evitar la sulfatación de la placa negativa. 

 Las baterías de plomo-ácido se deben guardar siempre en un estado de carga. Una carga del topping se debe aplicar cada seis meses para evitar la tensión descienda por debajo 2.10V/cel.  El almacenamiento prolongado por debajo de la tensión crítica causa sulfatación, una condición que es difícil de revertir. 

CONTINUA EN: BATERIAS PARA SUBMARINOS 2d parte:

Autor: CPN y Lic Bakic Guillermo Osvaldo

para elSnorkel.com 

Contenidos. (2012)

El Sr. Guillermo Bakic es autor de otro excelente articulo Propulsión Magneto Hidro Dinamica.