¿Qué causa que falle una celda cilíndrica de litio?

¿Cómo se puede saber que una celda está fallando antes de que falle?

Celdas de iones de litio fallan de tres maneras principales, cada una con señales de advertencia. Comprenderlos puede ayudarle a reemplazar una celda antes de que se convierta en un riesgo para la seguridad.

Cortocircuito interno (el más peligroso). Esto sucede cuando el separador (una delgada membrana de plástico entre el ánodo y el cátodo) se perfora por un defecto de fabricación (una partícula de metal de menos de 0,1 mm) o por dendritas (pequeñas puntas de litio metálico que crecen a través del separador con el tiempo). El cortocircuito provoca una rápida autodescarga y calentamiento. Señales de advertencia: el voltaje de la celda cae más rápido que otras celdas en un paquete (por ejemplo, otras celdas a 3,9 V, esta a 3,2 V). Más revelador: la celda se calienta cuando no se utiliza (más de 35°C al tacto). Si la celda está en un dispositivo y notas que un compartimiento de la batería está más caliente que otros, eso es una advertencia. Un cortocircuito completamente desarrollado drenará la celda por debajo de 2,0 V. En ese punto, cargar la celda puede hacer que se ventile (haga saltar una válvula de seguridad) o se incendie porque el cortocircuito se convierte en un calentador interno. La resistencia típica de un cortocircuito en desarrollo es de 100 a 500 ohmios (una celda normal tiene una resistencia casi infinita en reposo). No se puede medir esto sin desconectar las celdas, pero una gran diferencia de voltaje entre celdas adyacentes en un paquete es la mejor pista en el mundo real.

Pérdida de capacidad (envejecimiento normal). Esto no es peligroso, sólo molesto. Después de 300 a 500 ciclos completos de carga y descarga, una celda de litio cilíndrica conserva aproximadamente entre el 70 y el 80 % de su capacidad original. Señales de advertencia: una computadora portátil que solía funcionar durante 6 horas ahora funciona durante 3 horas. Una bicicleta eléctrica que recorrió 40 millas ahora recorre 28 millas. La celda se carga a 4,2 V pero se descarga rápidamente. La pérdida de capacidad es causada por el espesamiento de la capa de interfase de electrolito sólido (SEI) en el ánodo, consumiendo parte del inventario de litio. La pérdida de capacidad es predecible; una celda al 70% de su capacidad original está cerca del final de su vida útil, pero no es peligrosa. La celda puede seguir utilizándose para aplicaciones de baja demanda (como una luz de respaldo) hasta que alcance entre el 50% y el 60% de su capacidad.

¿Cuál es la forma más segura de cargar y descargar celdas cilíndricas de litio?

Las celdas de litio no son como las viejas baterías de NiMH o de plomo-ácido. Necesitan límites de voltaje específicos. Siga estas reglas para una vida útil más larga y un funcionamiento más seguro.

Nunca descargue por debajo de 2,5 V por celda (mínimo absoluto). Para la mayoría de las celdas, el límite inferior seguro es 2,8 V. Por debajo de 2,5 V, el cobre del colector de corriente del ánodo puede disolverse en el electrolito. Cuando recargas, las placas de cobre vuelven al ánodo en grupos desiguales, provocando microcortocircuitos. Una celda que se haya descargado a 2,0 V una vez podría seguir funcionando, pero su resistencia interna será mayor. Una celda que ha estado a 1,5 V durante un mes debe reciclarse; no intente recargarla. La mayoría de los sistemas de gestión de baterías (BMS) cortan la descarga entre 2,8 y 3,0 V por celda. Si usa un dispositivo simple sin BMS (como una linterna), deje de usarlo cuando la luz se atenúe notablemente y recárguelo inmediatamente.

Nunca cargue más de 4,2 V por celda (para celdas estándar). Algunas celdas de alto voltaje llegan a 4,35 V, pero son especiales. Cargar a 4,3 V en una celda estándar de 4,2 V reduce la vida útil del ciclo en aproximadamente un 50 %: 200 ciclos en lugar de 400. Cargar a 4,4 V corre el riesgo de que el ánodo se enchape con litio (se forma litio metálico en lugar de intercalarse en el grafito), lo que supone una pérdida permanente de capacidad y crea dendritas. Un cargador de litio de calidad se corta a 4,20 V ±0,02 V. Un cargador barato podría alcanzar entre 4,25 y 4,30 V. Esos 0,1 V adicionales reducen el ciclo de vida total entre un 30 % y un 40 %.

No hagas carga rápida todos los días. Una velocidad de carga de 0,5 C (por ejemplo, cargar una celda de 2000 mAh a 1000 mA) tarda aproximadamente 2,5 horas y es suave. Una carga de 1C (2000 mA) tarda 1,5 horas y está bien para un uso ocasional. La carga a 2C (4000 mA) tarda 45 minutos, pero reduce la vida útil entre un 30% y un 40%. Para los móviles que utiliza a diario (teléfono, portátil, bicicleta eléctrica), cárguelos a 0,5 °C durante la noche. Para uso de emergencia, 1C es aceptable. La mayoría de las celdas cilíndricas tienen una tasa de carga máxima de 1C impresa en su hoja de datos; excederlo causará una degradación acelerada.

¿Cómo interpreta un usuario la clasificación de capacidad impresa en una celda cilíndrica?

La capacidad impresa en una celda (por ejemplo, 2600 mAh, 3500 mAh, 5000 mAh) se mide en condiciones específicas que pueden no coincidir con su uso. Comprender las condiciones le ayuda a establecer expectativas realistas.

Condiciones de medición estándar: El fabricante descarga la celda desde 4,2 V hasta 2,5 V o 2,8 V a una corriente constante de 0,2 C (por ejemplo, 500 mA para una celda de 2500 mAh) a 25 °C. En esas condiciones, una celda de 2500 mAh ofrece aproximadamente 2500 mAh. Cambie cualquiera de esas condiciones y la capacidad entregada cambiará.

El efecto de la tasa de descarga (consumo de corriente). Si descarga la misma celda de 2500 mAh a 1C (2500 mA), podría obtener entre 2300 y 2400 mAh, una pérdida del 4 al 8 %. A 2C (5000 mA), es posible que obtenga entre 2000 y 2100 mAh, una pérdida del 16 al 20 %. La pérdida ocurre porque una corriente alta provoca una caída de voltaje. La celda alcanza el voltaje de corte de 2,5 V antes, aunque todavía queda carga en la celda. Por lo tanto, un dispositivo de alto consumo (herramienta eléctrica, vaporizador, soplador de hojas) tendrá una capacidad menos efectiva que un dispositivo de bajo consumo (linterna, reloj de pared).

El efecto de la temperatura: A 0°C (32°F), una celda de 2500 mAh ofrece entre 2000 y 2200 mAh (una pérdida del 12 al 20%). A -10°C (14°F), la capacidad cae a 1500-1800 mAh (pérdida del 28-40%). A 60 °C (140 °F), la capacidad puede ser de 2400 a 2450 mAh (sólo una pequeña pérdida), pero el ciclo a alta temperatura degrada la celda rápidamente. Por lo tanto, en invierno, la batería de una bicicleta eléctrica parecerá que tiene mucho menos alcance; eso es normal. Llevar la batería al interior para que se caliente antes de usarla (si es posible) restablece la capacidad.

El efecto del voltaje de corte: Si su dispositivo se detiene en 3,0 V por celda en lugar de 2,8 V, dejará entre un 5 y un 10 % de la capacidad sin utilizar. Esa es una elección de diseño para prolongar la vida útil de la batería. Una linterna que atenúa y corta a 3,0 V protege la celda; un dispositivo que llega hasta 2,5 V tiene más tiempo de funcionamiento pero estresa más la celda.