La inconsistencia en el rendimiento de las celdas se forma durante la producción y se profundiza durante el uso. Dentro del mismo paquete de baterías, las células más débiles se debilitan y deterioran sistemáticamente con mayor rapidez. La dispersión de parámetros entre celdas individuales aumenta con el envejecimiento.
Las baterías de iones de litio, que ya ocupan una posición dominante en el sector de la propulsión de vehículos eléctricos, tienen una larga vida útil, una alta densidad energética y un gran potencial de mejora. Se puede mejorar la seguridad y seguir aumentando la densidad energética. En un futuro previsible (alrededor de 2020), se espera que igualen la autonomía y la rentabilidad de los coches de gasolina, entrando en la primera fase de madurez de los vehículos eléctricos. Sin embargo, las baterías de litio también plantean problemas.
1,¿Por qué la mayoría de las pilas de litio son pequeñas?
Las baterías de litio que vemos -células cilíndricas, de bolsa, cuadradas- suelen ser compactas, sin el volumen de las baterías de plomo-ácido tradicionales. ¿Por qué?
Con una alta densidad energética, las baterías de litio no suelen diseñarse para grandes capacidades. La densidad energética de las baterías de plomo-ácido ronda los 40 Wh/kg, mientras que las de litio han superado los 150 Wh/kg. El aumento de la densidad energética eleva los requisitos de seguridad.
En primer lugar, una batería de litio de energía excesiva puede provocar un embalamiento térmico en caso de accidente, causando una reacción interna rápida y peligrosa debido a la incapacidad de disipar rápidamente el exceso de energía. Sobre todo cuando las tecnologías de seguridad y las capacidades de control no están plenamente desarrolladas, la capacidad de cada batería debe limitarse.
En segundo lugar, una vez que la energía envuelta por la carcasa de la batería de litio se libera en un accidente, los bomberos y los agentes de extinción no pueden intervenir eficazmente. Sólo pueden aislar la escena y dejar que la batería reaccione hasta que se agote su energía.
Por supuesto, las baterías de litio cuentan con múltiples medidas de seguridad. Tomemos como ejemplo las pilas cilíndricas:
Las válvulas de seguridad liberan automáticamente la presión cuando las reacciones internas y la generación de gas superan los límites normales y la presión alcanza un valor preestablecido. Cuando la válvula de seguridad se abre, la batería queda completamente inutilizada.
Los termistores instalados en algunas células aumentan drásticamente la resistencia a cierta temperatura debido al sobrecalentamiento, reduciendo el flujo de corriente e impidiendo que siga aumentando la temperatura.
Los fusibles equipados con función de protección contra sobreintensidades desconectan los circuitos cuando se producen riesgos de sobreintensidad, evitando accidentes catastróficos.
2,Problemas de consistencia de las pilas de litio
Debido a la imposibilidad de crear grandes celdas individuales, las baterías de litio suelen estar formadas por numerosas celdas más pequeñas que funcionan juntas. Sin embargo, esto conlleva un reto: la consistencia.
En nuestra experiencia cotidiana, dos pilas secas conectadas entre sí pueden alimentar una linterna, independientemente de su consistencia. Sin embargo, en las aplicaciones de baterías de litio a gran escala, la situación no es tan sencilla.
La inconsistencia en los parámetros de las baterías de litio se refiere principalmente a variaciones en la capacidad, la resistencia interna y la tensión de circuito abierto. El uso conjunto de pilas con parámetros incoherentes puede provocar los siguientes problemas:
（1），Pérdida de capacidad: Cuando se conectan en serie células con capacidades diferentes, la capacidad de todo el pack de baterías viene determinada por la célula de menor capacidad. Para evitar sobrecargas y sobredescargas, el sistema de gestión de la batería detiene la descarga del pack cuando el voltaje de la célula más débil alcanza el voltaje de corte durante la descarga o cuando el voltaje de la célula más alta alcanza el voltaje de corte durante la carga. Como resultado, las celdas más pequeñas siempre se cargan y descargan por completo, mientras que las celdas más grandes sólo se utilizan parcialmente, lo que provoca una infrautilización de la capacidad del pack.
（2），Vida útil reducida: La vida útil del pack de baterías viene determinada por la vida útil más corta de las celdas, que probablemente sea la celda con menor capacidad. Las celdas más pequeñas, al cargarse y descargarse por completo cada vez, están sometidas a un mayor estrés y es más probable que lleguen antes al final de su vida útil, lo que provoca el fallo prematuro de todo el pack.
（3），Incremento de la Resistencia Interna: Las células con diferentes resistencias internas disipan diferentes cantidades de calor cuando transportan la misma corriente. Una resistencia interna elevada conduce a temperaturas más altas, lo que acelera la degradación. La relación entre la resistencia interna y la temperatura forma un bucle de retroalimentación negativa, acelerando la degradación de las células con mayor resistencia interna.
Estos tres parámetros no son completamente independientes. Las células con mayor resistencia interna también tienden a experimentar una mayor degradación de la capacidad. En la actualidad, los ingenieros abordan la inconsistencia de las células principalmente desde tres aspectos: la clasificación de las células, la gestión térmica tras la agrupación y la función de equilibrio cuando un pequeño número de células presenta inconsistencia.
3,Cómo abordar las incoherencias
La inconsistencia en el rendimiento de las celdas se forma durante la producción y se profundiza durante el uso. Dentro del mismo paquete de baterías, las células más débiles se debilitan y deterioran sistemáticamente con mayor rapidez. La dispersión de parámetros entre células individuales aumenta con el envejecimiento. En la actualidad, los ingenieros abordan la inconsistencia de las células principalmente desde tres aspectos: clasificación de células, gestión térmica tras la agrupación y función de equilibrio cuando un pequeño número de células presenta inconsistencia.
(1),Clasificación
Lo ideal es no utilizar juntas células de lotes diferentes. Incluso las células del mismo lote deben ser seleccionadas para agrupar células con parámetros relativamente similares en la misma batería. El objetivo de la clasificación es seleccionar células con parámetros similares. Los métodos de clasificación se han estudiado durante muchos años y se dividen principalmente en dos categorías: clasificación estática y clasificación dinámica.
La clasificación estática consiste en seleccionar las células en función de características como la tensión de circuito abierto, la resistencia interna y la capacidad, utilizando algoritmos estadísticos para establecer los criterios de clasificación y dividiendo las células de un mismo lote en varios grupos.
La clasificación dinámica consiste en seleccionar las células en función de su rendimiento durante los procesos de carga y descarga. Algunos métodos utilizan la carga con corriente constante y tensión constante, mientras que otros emplean ciclos de descarga-carga por impulsos o comparan las curvas de carga y descarga.
La combinación de clasificación dinámica y estática consiste en agrupar inicialmente las células mediante clasificación estática y, a continuación, utilizar la clasificación dinámica para refinar aún más los grupos. Con este método se obtienen más grupos con mayor precisión, pero también aumentan los costes.
Esto ilustra la importancia de la producción a gran escala en la industria de las baterías de litio. La producción en masa permite a los fabricantes realizar una clasificación más refinada, lo que da como resultado baterías con un rendimiento más constante. Si los volúmenes de producción son demasiado pequeños y se necesitan demasiados grupos, incluso los mejores métodos resultarán ineficaces.
(2),Gestión térmica
Para resolver el problema de las celdas con resistencia interna inconsistente que generan diferentes cantidades de calor, se introduce un sistema de gestión térmica para regular la diferencia de temperatura de todo el paquete de baterías, manteniéndola dentro de un rango pequeño. Las celdas que generan más calor siguen experimentando temperaturas más altas, pero la diferencia de temperatura entre celdas se reduce al mínimo, evitando diferencias significativas en los niveles de degradación.
(3),Equilibrio
En los casos en que algunas celdas alcanzan sistemáticamente la tensión de corte de carga antes que otras, reduciendo la capacidad efectiva del pack, los sistemas de gestión de baterías (BMS) incorporan funciones de equilibrado. Cuando una célula alcanza la tensión de corte antes que las demás, lo que indica una carga completa, mientras que otras se quedan rezagadas, el BMS activa la función de equilibrado de la carga. Esto puede implicar la descarga de la celda sobrecargada o la transferencia de energía a celdas de menor voltaje, permitiendo que el proceso de carga continúe y aumentando la cantidad de energía almacenada en el pack.
Hasta ahora, la inconsistencia de las celdas sigue siendo un importante campo de investigación en la industria. A pesar de la alta densidad energética de las baterías de litio, la inconsistencia puede reducir significativamente la capacidad y el rendimiento de los paquetes de baterías.
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