¿Cómo garantizar un control de calidad correcto en sus baterías primarias?

Isabelle Sourmey y Jean-François Savin – Ingenieros de aplicaciones en Saft.

¡Sí! ¡acaban de llegar las baterías que pidió y que le darán una garantía de 8 años de vida útil en su aplicación IoT!

Si Usted es un desarrollador de soluciones IoT, querrá comprobar la calidad de las baterías primarias que recibe. Para ello, procede con sus pruebas:

• Inicialmente, verificará que el paquete no tiene daños, y que las baterías dentro de la caja están empaquetadas correctamente (por ejemplo, sin cortocircuitos)
• A continuación, selecciona aleatoriamente conjuntos de baterías, y realiza una inspección visual para confirmar que no hay signos de fugas ni abolladuras. Hasta aquí, todo bien.
• Posteriormente pasa a la fase importante: verifica la capacidad de la batería. Por supuesto, ha realizado pruebas durante la fase de creación de prototipos, y el fabricante de la batería le ha comentado la vida útil prevista de las baterías en su aplicación, pero ¡aún quiere asegurarse de que el producto final está a la altura de sus expectativas! Una forma de hacerlo es realizar una descarga continua a corrientes elevadas y así obtiene resultados rápidamente. ¡Necesitas lanzar rápidamente tu producto al mercado y no tienes 8 años!

Pero ¡Oh, decepción, desilusión! ¡No solo las prestaciones son tremendamente diferentes a lo indicado en la hoja de datos de la batería, sino que la capacidad de la batería es muy inferior a los 8 años previstos para su aplicación!

Antes de coger el teléfono y presentar una queja al servicio posventa, debería leer este artículo, ya que este tipo de prueba no representa el comportamiento de la batería en campo. Por eso, aquí les contamos cómo seguir adelante con su inspección inicial, y así ver la imagen real.

Por qué una descarga acelerada NO es el camino a seguir para verificar su batería

En resumen:

1. Normalmente, las pilas para IoT no se han diseñado para una descarga continua a corrientes altas: por lo tanto, los resultados obtenidos no son relevantes para su aplicación
2. Una descarga a corriente elevada no da la misma capacidad que una descarga a corriente nominal
3. La orientación de la celda también puede desempeñar un papel en el rendimiento de la pila, bajo una descarga continua de alta corriente.
4. Una descarga a alta corriente puede provocar un fenómeno de bloqueo electroquímico del cátodo.
5. Una descarga continua no representa el comportamiento de las celdas en la aplicación. Lo normal es tener distintos pulsos de corriente.
6. ¡Cuidado! El comportamiento de una pila nueva no es igual que el de una pila antigua.

1- Las baterías tienen diferentes tecnologías y construcción, diseñadas para un ámbito de uso óptimo

En primer lugar, debe recordar que las celdas de la batería están diseñadas para un uso específico. Dependiendo de su construcción (bobina o espiral) y de su electroquímica (aquí estamos tratando más específicamente con sistemas primarios de litio), tendrán un comportamiento diferente. Para los sistemas de litio cloruro de tionilo, las celdas de bobina están optimizadas para corrientes de descarga bajas, y para que se usen hasta 20 años, mientras que las celdas espirales están diseñadas para corrientes de descarga superiores, y para que se usen aproximadamente hasta 10 años. Por el contrario, los sistemas de dióxido de litio y manganeso solo vienen con un diseño en espiral y, por lo tanto, están diseñados para corrientes altas de descarga.

2- La mayoría de los sistemas de IoT en la actualidad están optimizados para sus necesidades energéticas.

La electrónica de baja potencia, el modo de suspensión profunda y la mejora de las corrientes de fuga de los componentes, son tendencias ampliamente adoptadas en el mundo IoT. Las celdas de bobina de litio cloruro de tionilo (Li-SOCl₂), se han diseñado ampliamente, para responder a las necesidades de estas aplicaciones de baja potencia. Por lo tanto, cuando se usa una celda de bobina, con una corriente alta de descarga no representará, en absoluto, el comportamiento de la batería, especialmente para una aplicación de baja potencia.

Veamos la hoja de datos para comprender el principio.

El impacto de una corriente de descarga alta en la capacidad disponible se muestra en el gráfico «Capacidad en función de la corriente, a varias temperaturas».

En este ejemplo de una batería Li-SOCl₂ de bobina LS 14500, podemos ver claramente que, a 20 °C, la celda da la misma capacidad con 20 mA o más, como con un drenaje de corriente continuo de 1 mA.

Con una corriente de descarga de 1 mA, la capacidad máxima sería de 2.6 Ah a 20 °C, pero con un consumo de corriente de descarga superior, digamos 20 mA, la capacidad restaurada cae a 2.1 Ah. Por lo que al aumentar la corriente de descarga en 20, la capacidad total de la batería se reduce casi un 20%.

Si bien esto vale para cualquier batería, se cumple aún más con las celdas de bobina Li-SOCl₂ (gama LS de Saft), optimizadas para corrientes de descarga bajas, y una vida útil prolongada. Generalmente para corrientes de descarga en el rango de unos pocos mA. Por lo tanto, un drenaje de corriente alto, por encima de 10 mA, reducirá la eficiencia de la celda (con un posible fenómeno de saturación de carbono), y la capacidad que de la celda no se acercará a la capacidad nominal. Los resultados que obtendría aplicando dichas pruebas de capacidad, se podrían distribuir en un amplio espectro de valores, mostrando los más “típicos” en la hoja de datos. Por lo tanto, no tiene mucho sentido aplicar una corriente continua de alta corriente para verificar la capacidad de una celda.

3- La orientación de la batería en descarga rápida, puede tener una gran influencia sobre los resultados.

Algunos de nuestros clientes, en ocasiones, se han sentido desconcertados por las curvas de descarga con velocidades de descarga rápidas, porque la celda no estaba en posición vertical durante la prueba … De hecho, la estabilidad de la tensión después de la descarga media, también se puede ver afectada por la orientación de la celda en condiciones de descarga continua rápida. Este fenómeno se llama «efecto de pasto«. Cuando el contacto entre los poros de carbono y las gotas de electrolito se pierde temporalmente, la tensión desciende rápidamente. Cuando se recupera al momento siguiente (el electrolito vuelve al interior de los poros), la tensión aumenta. También es el resultado de la falta de electrolitos dentro de los poros del soporte de carbono, al final de una descarga continua a alta velocidad.

Una vez más, estos fenómenos se perciben solo para las celdas de bobina con una descarga rápida, cuando no se utilizan en posición vertical. Un promedio de descarga bajo, y un tiempo de recuperación prolongado entre pulsos altos permitirán el buen funcionamiento de la batería, cualquiera sea su orientación. Es por esto, que las pruebas con descargas rápidas pueden dar lugar a resultados no aceptables, aunque no sean representativos, ni relevantes para su aplicación en condiciones de vida de campo.

Los efectos de orientación de la celda con una celda de bobina Li-SOCl₂, como la celda de la serie LS de Saft, es un fenómeno que solo se nota bajo una descarga continua combinada con índice de descarga alto (es decir, descarga acelerada). Nunca se manifestará ni reducirá la vida útil de la batería, si se usa en la aplicación real.

4- Descargar una celda de tipo bobina con corrientes altas puede provocar un fenómeno de bloqueo del cátodo

Algunos clientes también pueden experimentar algún fallo al descargar una celda de bobina Li-SOCl₂, si el índice de descarga es demasiado elevado. De hecho, existe un fenómeno llamado «bloqueo de cátodos«, o fenómeno de «limitación de cátodos«. Durante la reacción electroquímica que da lugar a la creación de un flujo de electrones, los productos de la reacción electroquímica (cristales de LiCl) se almacenan en la masa de carbono. Estos cristales deben atravesar poros que se tienen que abrir para dejarlos pasar: si el drenaje de corriente es muy alto, crea un flujo masivo de estos productos de descarga, que llegan a la superficie de la masa de carbono. Si la descarga es continua, la superficie de la masa de carbono se puede saturar rápidamente. Y cuando eso sucede, la reacción química simplemente se detiene, incluso cuando quedan algunos materiales activos. Lo que significa que la capacidad disponible no se puede restaurar por completo.

Las imágenes a continuación ilustran este fenómeno mostrando la superficie de la masa de carbono de una celda de bobina Li-SOCl₂, a diferentes corrientes de descarga continua: podemos observar que los cristales de LiCl son más grandes cuando aumenta la descarga, lo que da lugar a una saturación superficial de la masa de carbono.

Índice de descarga 30 mA       Índice de descarga 100 mA      Índice de descarga 200 mA

¡Y eso no es todo! Obtener unos buenos resultados con índices de descarga altos y continuos, ni siquiera garantiza que su celda ofrece las prestaciones esperadas para su aplicación IoT.

Los buenos resultados en la descarga rápida no garantizan buenos resultados en la aplicación, particularmente para aplicaciones IoT, ni para aplicaciones con corrientes de pulso, en general.

Es posible que tenga la tentación de probar baterías primarias de litio con altas corrientes continuas durante la inspección de control, para asegurarse de que mantienen la corriente de pulso después. La cuestión es: las baterías pueden soportar muy bien las solicitudes de pulso, incluso después de un tiempo en el campo, pero pueden dar una capacidad baja o pobre bajo una descarga continua de corriente alta. Por el contrario, podría terminar obteniendo buenos resultados si realiza una descarga tan acelerada: algunos fabricantes de baterías optimizan su química exactamente para estos fines. Estas prácticas pueden llevar confusión a los clientes durante las pruebas.

Se espera que una batería que alimenta una aplicación IoT tenga las mismas prestaciones durante toda su vida útil. Por lo tanto, observar la capacidad de respuesta de tensión de una celda nueva, no significa que, con el paso del tiempo, la batería alcance la misma respuesta de tensión con corrientes de pulso altas. De hecho, las prestaciones de las celdas nuevas, especialmente con la lectura de tensión, no son un reflejo de las prestaciones de las celdas antiguas. Es más, el comportamiento de las celdas con un consumo alto de corriente continua difiere mucho de la respuesta de una celda a los perfiles de consumo para dispositivos IoT, donde éstos entran en modo de suspensión la mayor parte del tiempo, y luego se reactivan para transmitir datos durante unos segundos, generando así una ráfaga de corriente.

Los resultados que puede observar en los gráficos siguientes, provienen de más de un año de pruebas. Las lecturas de tensión de las celdas Saft después de un período de almacenamiento de un mes a 70 °C, están por encima de 2,4 V, mientras que los competidores muestran lecturas de tensión inferiores a 1 V, no compatibles con una respuesta de tensión esperada para alimentar una solución de IoT durante varios años.

Entonces, ¿qué podemos aprender de estas curvas?

1. La capacidad de pulso que se muestra en la hoja de datos no representa la capacidad de pulso necesaria para una aplicación IoT, ya que solo muestra la capacidad de una celda nueva, durante un período corto de tiempo, y a 20 ° C
2. Una celda de litio cloruro de tionilo no reacciona de la misma manera con una solicitud de pulso alto cuando está fresca, o envejecida.
3. Por lo tanto, solicitar la celda durante la inspección de control con altas corrientes continuas o corrientes de pulso altas durante unos días, no es representativo de su comportamiento después de algunos meses en el campo. A primera vista, las celdas de Saft no parecen ser tan buenas como las de sus competidores nuevas, pero con el paso del tiempo las lecturas de potencia mejoran mucho.
4. Conclusión: ¡usar una celda Li-SOCl₂ de bobina de tamaño AA para un pulso de 100 mA a largo plazo no será posible sin un condensador!

Entonces, ¿cómo debería inspeccionar las baterías que compro?

En lugar de realizar pruebas cuya relevancia es tan solo del 50%, nuestro mejor consejo sería auditar al fabricante de su batería para verificar sus procesos de control de calidad. Después, se puede asegurar de que se revisan las baterías con frecuencia, y de que la calidad es constante.

También puede solicitar un certificado de conformidad: los servicios de certificación de baterías prueban la seguridad y la calidad de las baterías, y garantizan el cumplimiento de las normas y regulaciones pertinentes.

Y si prefiere probarlo usted mismo, puede realizar una prueba OCV (tensión con circuito abierto), que consiste en conectar un voltímetro a los terminales positivo y negativo, y medir la tensión del terminal sin carga, o con un aprueba CCV (voltaje de circuito cerrado), que consiste en cerrar el circuito mediante una resistencia (56 Ohm para un LS 14500 por ejemplo), y medir tras un breve retardo (2 s) la tensión de carga. Se puede establecer un criterio mínimo de tensión en la celda registrada en 2 segundos, para clasificar las celdas defectuosas de una manera muy eficiente. ¡Esto es mucho más rápido y relevante que una prueba de descarga!

Si desea obtener más información sobre la inspección entrante, no dude en enviarnos un correo electrónico a contato@saftbatteries.com Estaremos encantados de guiarle.