Degradación de Baterías Recargables Debido al Ciclado
Las baterías eléctricas, fundamentales en la era digital, funcionan como fuentes de energía de corriente continua. Transforman la energía química almacenada en energía eléctrica mediante un proceso electroquímico, proporcionando fuerza electromotriz para el flujo de corriente en circuitos eléctricos y electrónicos. Una batería típica está compuesta por una o más células voltaicas, basadas en reacciones redox espontáneas entre dos electrodos separados por un electrolito, un material conductor iónico y eléctricamente aislante.
Causas de la Degradación en las Baterías Recargables
La degradación de las baterías recargables es un fenómeno inevitable en cada ciclo de carga y descarga. Esto se debe generalmente a la migración del electrolito lejos de los electrodos o al desprendimiento de material activo de los mismos. Los fabricantes suelen referirse a la «vida útil del ciclo» para especificar la longevidad en términos de número de ciclos hasta alcanzar el 80% de la capacidad nominal de la batería. Para evitar peligros o una degradación prematura, es esencial seguir las recomendaciones del fabricante.
En las baterías de iones de litio, la degradación y la pérdida de capacidad se atribuyen principalmente al crecimiento de la interfaz de electrolito sólido (SEI), formada por reacciones entre los electrodos y el electrolito. Esta película obstruye la reacción de los iones de litio con los electrodos y su espesor creciente conlleva a la degradación de la célula.
Influencia del Tipo de Batería y la Forma de Carga
Las baterías de NiMH de baja capacidad (1,700–2,000 mA·h) pueden cargarse unas 1,000 veces, mientras que las de alta capacidad (más de 2,500 mA·h) duran alrededor de 500 ciclos. Las baterías de NiCd tienden a ser efectivas para 1,000 ciclos antes de que su resistencia interna aumente más allá de los valores utilizables. La carga rápida incrementa los cambios en los componentes, acortando la vida útil de la batería. Además, si el cargador no detecta cuando la batería está completamente cargada, puede producirse una sobrecarga, dañándola.
La mayoría de las baterías modernas de iones de litio 18650, comunes en las baterías de portátiles, tienen una vida útil típica de 300 a 500 ciclos de carga y descarga. En situaciones de alta tasa C o profundos DOD, esto puede disminuir sustancialmente a 200 ciclos. En aplicaciones de la vida real, las celdas de Li-ion experimentan una degradación acelerada debido a ciertos factores de estrés como profundos DODs, elevadas tasas C, temperaturas altas o bajas y operación en altos SOCs.
Factores de Estrés y Características Adicionales
La degradación es fuertemente dependiente de la temperatura: es mínima a temperatura ambiente, pero aumenta en entornos muy calientes o fríos. Las baterías generan calor al cargarse o descargarse, especialmente a altas corrientes. Las altas temperaturas durante la carga pueden llevar a la degradación de la batería, y cargarlas a temperaturas superiores a 45 °C deteriorará su rendimiento. Los paquetes de baterías grandes, como los utilizados en vehículos eléctricos, generalmente están equipados con sistemas de gestión térmica que mantienen una temperatura entre 15 °C y 35 °C.
La alta tasa C genera más calor y aumenta la temperatura de la celda, activando los mecanismos de degradación por alta temperatura. Esta tasa reduce la vida útil y la capacidad usable de la batería.
Para las baterías de iones de litio, la vida útil del ciclo depende fuertemente del DOD. La pérdida de iones de litio y material activo del electrodo es mayor en ciclos de DOD más grandes. En altos DODs, pueden ocurrir mecanismos de degradación adicionales, resultando en la descomposición y disolución del material del cátodo y la pérdida de capacidad.
Parámetros Importantes en las Baterías
Para comparar y comprender la capacidad de cada batería, ciertos parámetros son característicos de cada una, incluso dentro de un mismo tipo. Estos parámetros son una referencia al necesitar una batería con cualidades específicas, ya que se utilizan en todo tipo de dispositivos y con infinitos propósitos.
- Voltaje de Celda: El voltaje de las baterías eléctricas se crea por la diferencia de potencial de los materiales que componen los electrodos en la reacción electroquímica.
- Voltaje de Corte: Es el voltaje mínimo permitido, generalmente definiendo el estado “vacío” de la batería.
- Capacidad: La capacidad coulométrica es el total de Amperios-hora disponibles cuando la batería se descarga a una corriente de descarga específica del 100% SOC al voltaje de corte.
- Tasa C de la Batería: Se utiliza para expresar qué tan rápido se descarga o carga una batería en relación con su capacidad máxima. Una tasa de 1C significa que la corriente de descarga agotará la batería en 1 hora.
- Autodescarga: Las baterías se autodescargan gradualmente incluso si no están conectadas y suministrando corriente. Esto se debe a reacciones químicas «secundarias» que ocurren dentro de la celda incluso cuando no se aplica carga.
- Profundidad de Descarga: Es una medida de cuánta energía se ha extraído de una batería y se expresa como un porcentaje de la capacidad total. Por ejemplo, de una batería de 100 Ah de la cual se han extraído 40 Ah, ha experimentado un DOD del 40%.
- Estado de Carga: Se refiere a la cantidad de carga en una batería en relación con sus estados “lleno” y “vacío” predefinidos, es decir, la cantidad de carga en Amperios-hora que queda en la batería.
