Qué es el “Ciclo de Carga” de la batería de litio?

Qué es el "Ciclo de Carga" de  la batería de litio?

Las baterías son sistemas electroquímicos complejos y hay varios factores que afectan los ciclos de la batería, incluida la química, cómo se usa la misma y una amplia gama de factores ambientales. Estas preguntas frecuentes presentan algunas de las complejidades y sutilezas relacionadas con la cuantificación de los ciclos de la batería.

El concepto de ciclos de batería recargable comienza con el ciclo de descarga que se define como el proceso de vaciar una batería completamente cargada hasta un estado de descarga total. Esa definición no es útil en aplicaciones prácticas, ya que casi nunca es una buena idea descargar completamente una batería. Y no considera varios factores importantes como la rapidez con la que se agota la batería. Tratar una batería "con cuidado" y descargarla a un ritmo menor casi siempre aumenta la vida útil de la batería.

La definición de ciclo de vida mide cuántas cargas y descargas completas puede experimentar una batería recargable antes de que ya no mantenga la carga. Un problema con esa definición es el término "mantener la carga". ¿Eso significa que una batería al final de su ciclo de vida será capaz de mantener una carga cero? No. En aplicaciones prácticas, una batería ya no se considera utilizable cuando su carga máxima se reduce a una fracción de su capacidad inicial, como el 80 % o el 50 %.

Además, en aplicaciones del mundo real, existe el problema de que las baterías rara vez se descargan por completo, o incluso se descargan al mismo porcentaje de su capacidad total durante usos secuenciales. Por ejemplo, si una batería se descarga al 50 % de su capacidad y luego se recarga por completo, eso se define como la mitad de un ciclo de carga/descarga.

Algunos conceptos a tener en cuenta

Profundidad de descarga

La profundidad de descarga (DoD) es el porcentaje de la capacidad de la batería que se ha descargado. Está relacionada con el estado de carga (SoC), que mide el porcentaje de la capacidad total restante. Una batería con un DoD del 25 % tendría un SoC del 75 %. Cuanto más a menudo se exponga una batería a un DoD alto, también llamado descarga profunda, menor será su ciclo de vida, figura 1.

Química y voltaje

La química de la batería es un factor importante para determinar el ciclo de vida. Las baterías de plomo ácido selladas (SLA) suelen tener una vida útil de 500 ciclos completos de carga/descarga. En el caso de las baterías de iones de litio, la vida útil depende de la química específica que se utilice. Por ejemplo, las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) pueden tener una vida útil de más de 2000 ciclos, mientras que las celdas de óxido de manganeso y litio (LMO) suelen tener una capacidad nominal de 700 ciclos o menos.

Las condiciones de carga, especialmente el voltaje de carga, también son importantes. Muchas químicas de  litio no pueden funcionar a más de 4,20 V por celda. Los voltajes más altos pueden proporcionar un aumento de capacidad a corto plazo, pero acortan la vida útil y pueden comprometer la seguridad, figura 2. El ciclo de vida de la mayoría de las baterías de iones de litio se especifica con un voltaje de carga nominal de 4,2 V. La tecnología de carga rápida está fuera del alcance de este análisis e implica el uso de voltajes más altos, además de la gestión térmica y del voltaje en tiempo real para evitar daños a la batería.

Importancia del recuento de ciclos

La importancia de los recuentos del ciclo de seguimiento radica en su correlación directa con una longevidad de batería. Cada ciclo de carga contribuye a la degradación gradual de la capacidad de una batería. Por ejemplo, en las baterías de  litio, con cada ciclo completo, hay una disminución marginal en la capacidad global de la batería, lo que conduce a una reducción del tiempo de ejecución y el rendimiento con el tiempo.

Impacto en el rendimiento de la batería

El ciclo cuenta para ayudar a predecir una vida útil de la batería y evaluar su estado de salud actual. Los fabricantes y usuarios deben estimar cuánta vida útil podría tener una batería antes de necesitar reemplazo o experimentar problemas de rendimiento significativos.

Pruebas para estimar el  ciclo de vida

En las pruebas del ciclo de vida de las celdas  de litio, un grupo de celdas de muestra se somete a cientos de ciclos de carga y descarga durante un período prolongado de, por lo general, varios meses o más, para predecir el final de la vida útil del ciclo de carga y descarga de las celdas. Las tasas de carga y descarga pueden variar de 0,5 a varios C (la tasa C es un parámetro que indica la tasa de carga y descarga de una batería). La mayoría de las veces, se utilizan protocolos de carga y descarga normalizados. El ciclo de vida casi siempre se realiza a temperaturas elevadas utilizando una cámara de temperatura, para acelerar aún más el envejecimiento.

La pérdida de capacidad a lo largo de la vida útil es la preocupación principal, donde una pérdida de capacidad del 20 % se define como el final de la (primera) vida útil de las celdas. El número de ciclos al final de la vida útil se predice extrapolando la pérdida de capacidad real medida después de ejercitar las celdas durante cientos de ciclos. Esto se ilustra en la figura anterior. El ciclo de vida también puede revelar otras cosas que pueden llevar a un final prematuro de la vida, como la separación de láminas de electrodos, cortocircuitos, etc. Estos suelen revelarse como una caída abrupta de la capacidad, en lugar de una pérdida gradual.

Un ciclo de carga de una batería  de litio

En general, es mejor pensar en la vida útil de la batería de litio en relación con la cantidad de veces que se completa el ciclo de carga y no como directamente relacionada con la cantidad de cargas. Como se ejemplifica en el la siguiente figura.

La vida útil de una batería de litio está relacionada con la carga total de la batería y no tiene  que ver con el número de cargas.

Conclusión:

"La vida útil del ciclo se refiere a la cantidad de cargas y descargas completas que puede pasar una batería recargable antes de que ya no tenga carga. Un ciclo de carga se completa cuando una batería pasa de estar completamente cargada a estar completamente descargada. Por lo tanto, como ejemplo, descargar una batería al 50 % y luego volver a cargarla al 100 % solo se contabilizaría como la mitad de un solo ciclo de batería". El número de ciclos de una batería es un valor estadístico derivado de ensayos de laboratorio que muestra el valor aproximado probable, no exacto.  

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                    2024.-