¿Sabía que la temperatura es el principal factor que afecta al consumo energético de la batería?
Al igual que los humanos, las baterías funcionan mejor a temperatura ambiente. Las reacciones químicas se ven afectadas por la temperatura, y como una batería depende de una reacción química para proporcionar energía, un ligero cambio de temperatura afecta a la capacidad y vida útil de la batería. ¡Y no sólo de la batería! La temperatura es un parámetro importante para casi todos los componentes internos, y genera reacciones secundarias. La temperatura también afecta al consumo de sus componentes electrónicos.
Si planea implementar un dispositivo para una vida útil larga, el más mínimo Amperio puede contar. Un cambio de 1 µA podría no parecer mucho, pero durante un año representaría 8,76 mAh, o casi 90 mAh, en un período de 10 años. Para una batería pequeña que contiene 1,2 Ah, como la LS 14250, esto representaría casi el 7,5% de la capacidad nominal de la batería durante 10 años, lo que supone un gran impacto en la vida útil del dispositivo.
Por ello, anticipar y planificar todas las condiciones de temperatura posibles e inimaginables, le ayudará a elegir la tecnología de batería adecuada para su dispositivo, y a calcular con precisión su vida útil.
El impacto de las altas temperaturas en una batería
El verano y las temperaturas más cálidas generalmente hacen que uno se sienta con energía, pero si hace demasiado calor, es probable que se encuentre un poco más pasivo, con menos ganas de realizar un esfuerzo físico.
De manera similar, a altas temperaturas, las reacciones químicas de una celda son más fuertes, y la resistencia interna es menor, lo que aumenta la capacidad de la batería para ofrecer una potencia alta. Esto, a su vez, produce una descarga más rápida y la correspondiente pérdida de vida útil de la batería.
Pero otros dos fenómenos se ven realzados por un aumento de la temperatura de la batería: la autodescarga y la pasivación.
La autodescarga es una reacción química interna que consume materiales de ánodo y cátodo durante el almacenamiento, aunque no haya conexión a ningún circuito externo, o durante el uso (consumo de material y una mayor corriente de fuga de los componentes, o fugas de corriente del dispositivo en modo de reposo). Esto significa que la batería tendrá una capacidad reducida.
Ambos fenómenos de autodescarga se aceleran por la elevación de la temperatura, ya que el metabolismo químico de las celdas aumenta, y la fuga de las corrientes de los componentes es más fuerte.
La pasivación es una reacción superficial que ocurre espontáneamente sobre superficies de metal de litio en todas las baterías primarias de litio, especialmente en un cátodo líquido como el cloruro de litio-tionilo (Li-SOCl2).
Se construye una capa protectora sólida, la “capa de pasivación” para impedir que las celdas se descarguen por sí solas, lo que permite una vida útil larga. Pero a altas temperaturas, la capa de pasivación se hace más gruesa y se acumulan cristales más grandes. No afectará necesaria ni drásticamente a la energía disponible de la batería, pero puede perjudicar el funcionamiento de la batería. La resistencia interna de la celda, también llamada impedancia, se mejora con la presencia de la capa de pasivación. Las baterías no son generadores de tensión constante, y cuanto más gruesa es la capa, mayor es el obstáculo al establecer la corriente, como la cal que se acumula en un tubo y evita que el agua fluya. Esta impedancia hace que la batería no pueda suministrar la alimentación necesaria al dispositivo.
Por lo tanto, la autodescarga y la pasivación se tienen que gestionar cuidadosamente, si tiene previsto implementar el dispositivo a temperaturas altas.
Ilustremos estos puntos con la ficha de datos de nuestra celda LS 14500.
En este gráfico, la capacidad disponible de la batería medida en amperios-horas (Ah) se indica en el eje Y. La velocidad de descarga se indica en miliamperios (mA), en el eje X. La temperatura se indica por medio de la curva situada en el centro del gráfico.
Para ver el impacto de la temperatura en la autodescarga de la batería, que sólo se ve con corrientes de descarga bajas, tiene que observar corrientes de descarga inferiores a la corriente nominal (aquí, 2mA para LS 14500).
La diferencia de capacidad disponible entre la curva a 20°C y las curvas a temperaturas más altas, le dará una idea de este impacto en la autodescarga.
En este ejemplo, a 20 °C, la capacidad disponible es de 2,6 Ah, a 55 °C, y desciende a 2,3 Ah.
A 70 °C, alcanza 2,1 Ah.
La asociación de una baja tasa de descarga con una temperatura alta es aún peor, ya que la pendiente de la curva la muestra con unos índices inferiores de descarga.
Por lo tanto, al utilizar una batería con una temperatura alta, debe tener en cuenta estos posibles efectos:
• Baja resistencia interna
• Mayor movilidad iónica en el electrolito
• Más energía
• Más autodescarga
• Menor capacidad
• Mayor riesgo de pasivación
El impacto de las bajas temperaturas en una batería
Cuando hace frío fuera, su cuerpo necesita más tiempo para arrancar y necesitará entrar en calor antes de poder hacer cualquier deporte. Las baterías también experimentan esta peculiaridad. A baja temperatura, las reacciones químicas en la celda son menos eficientes, las moléculas van más despacio. Como resultado, la resistencia interna de la batería aumenta, y no puede suministrar el mismo nivel de potencia. Puede suministrar la corriente, pero si el nivel de tensión baja, la consecuencia es una menor eficiencia de la electrónica y, por lo tanto, aumenta el consumo.
Usted podría pensar que como la autodescarga y la evolución de la capa de pasivación son menos importantes a temperaturas frías, y los componentes también consumen menos, ¡esto podría compensarlo! Bueno, sí y no.
A temperatura fría, la pasivación crecerá más lentamente, pero la capa será más compacta con cristales más pequeños. Además, aumenta la viscosidad del electrolito y las reacciones electroquímicas y de difusión se ralentizan. Lo que significa que el efecto de la pasivación podría ser aún más visible, especialmente, con un alto consumo de corriente.
Vamos de nuevo a nuestra ficha de datos de la celda LS 14500. Esta vez, veamos el gráfico “Curva de descarga de la batería LS 14500 vs corriente & temperatura (a mitad de descarga)
A -20°C, o a -40°C, casi no hay autodescarga, pero también es más difícil que los iones avancen de un electrodo al otro. Por lo tanto, la tensión de la batería disminuye rápidamente. Además, si la corriente es demasiado baja (menos de 1mA), no puede calentar la química por el efecto de Joule. Este calentamiento puede funcionar si las corrientes son más altas, pero la batería no tiene potencia suficiente a esa temperatura, y por eso disminuye su capacidad.
Por lo tanto, cuando se utiliza una batería a baja temperatura, debe tener en cuenta estos posibles efectos:
• Más resistencia interna
• Menor rendimiento de la potencia
• Menor capacidad,
• Menor movilidad de iones en el electrolito
• Menor autodescarga.
¿Cómo anticipar el efecto de la temperatura en la vida útil de la batería?
Incluso la más mínima desviación de temperatura puede reducir la capacidad de la batería a la mitad si no se anticipa correctamente. Por lo tanto, asegúrese de conocer el perfil de consumo de su aplicación en todas las condiciones (en espera, en modo de reposo, activo, etc.) y de asociar estas condiciones a las temperaturas más calientes y frías a las que estará expuesto el dispositivo durante el almacenamiento, el transporte o el funcionamiento.
Si se encuentra en una fase temprana de su proyecto, el optimizador de soluciones de IoT puede ayudarle a seleccionar una batería, y con la plataforma de simulación para dispositivos IoT Wisebatt puede crear un prototipo virtual y simular su consumo, mientras que el optimizador de soluciones para IoT de Deutsche Telekom puede ayudarle a modelar el sistema completo.
Y una vez que tenga un prototipo real en su lugar, la solución Qoitech puede ayudarle a medir en tiempo real el consumo de su dispositivo a varias temperaturas, incluso medir el funcionamiento del hardware y firmware, sin costosos medios de prueba.
Pero cualquiera que sea la fase de su desarrollo, sus mejores activos son nuestros ingenieros, que le recomendarán la mejor batería para sus condiciones operativas y le darán una estimación de su vida útil en el campo. Póngase en contacto con nosotros
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Saft ofrece varias farmacias de batería que pueden funcionar en amplios rangos de temperatura:
• Li-SOCl2: de -60°C a +85°C e incluso +150°C
•Li-SO2: de -60°C a +70°C
•Li-MnO2: de -40°C a +85°C
•Li-ion: de -40°C a 60°C e incluso +85°C.
