El acondicionador de batería prolonga la vida útil de las baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio envejecen de forma natural, con una vida útil prevista de unos tres años. Pero esa vida puede acortarse mucho, a menos de un año, si las baterías no se manejan correctamente. Resulta que las baterías están típicamente abusado en aplicaciones donde el acondicionamiento inteligente extendería significativamente la vida útil de la batería. El cargador de batería y administrador de energía LTC4099 contiene un I²Acondicionador de batería controlado por C que maximiza la vida útil de la batería, al mismo tiempo que optimiza el tiempo de funcionamiento de la batería y la velocidad de carga (consulte la Figura 1).

Las baterías modernas de iones de litio están construidas con un terminal negativo de grafito, un terminal positivo de cobalto, manganeso o fosfato de hierro y un electrolito que transporta los iones de litio.

El electrolito puede ser un gel, un polímero (baterías de iones de litio/polímero) o un híbrido de gel y polímero. En la práctica, no se ha encontrado ningún polímero adecuado que transporte eficazmente iones de litio a temperatura ambiente. La mayoría de las baterías de iones de litio/polímero de "bolsa" son, de hecho, baterías híbridas que contienen una combinación de electrolitos de polímero y gel.

El proceso de carga implica que los iones de litio salgan del material del terminal negativo, a través del electrolito y entren en el material del terminal positivo. La descarga es el proceso inverso. Ambos terminales liberan o absorben iones de litio, dependiendo de si la batería se está cargando o descargando.

Los iones de litio no se unen a los terminales, sino que entran en los terminales como el agua entra en una esponja; este proceso se llama 'intercalación'. Entonces, como suele ocurrir con los dispositivos basados ​​en carga, como los condensadores electrolíticos, el almacenamiento de carga resultante es una función tanto de los materiales utilizados como de la estructura física del material. En el caso del capacitor electrolítico, la lámina se graba para aumentar su área superficial. En el caso de la batería de iones de litio, los terminales deben tener una composición física similar a una esponja para aceptar los iones de litio.

La elección del material del terminal positivo (cobalto, manganeso o fosfato de hierro) determina la capacidad, la seguridad y las propiedades de envejecimiento de la batería. En particular, el cobalto brinda una capacidad superior y características de envejecimiento, pero es relativamente inseguro en comparación con otros materiales. El litio metálico es inflamable y el terminal positivo de cobalto tiende a formar litio metálico durante el proceso de descarga. Si varias medidas de seguridad fallan o son anuladas, el litio metálico resultante puede alimentar un evento de "respiradero con llama".

En consecuencia, la mayoría de las baterías de iones de litio modernas utilizan un terminal positivo a base de fosfato de hierro o manganeso. El precio de una mayor seguridad es una capacidad ligeramente reducida y un mayor envejecimiento.

El envejecimiento es causado por la corrosión, generalmente oxidación, del terminal positivo por el electrolito. Esto reduce tanto la efectividad del electrolito en el transporte de iones de litio como la capacidad de absorción de iones de litio similar a una esponja del terminal positivo. El envejecimiento de la batería da como resultado un aumento de la resistencia en serie de la batería (BSR) y una capacidad reducida, ya que el terminal positivo es progresivamente menos capaz de absorber iones de litio.

El proceso de envejecimiento comienza desde el momento en que se fabrica la batería y no se puede detener. Sin embargo, el manejo de la batería juega un papel importante en la rapidez con que avanza el envejecimiento.

La corrosión del terminal positivo es un proceso químico y este proceso químico tiene una función de distribución de probabilidad de energía de activación (PDF). La energía de activación puede provenir del calor o del voltaje terminal. Cuanta más energía de activación esté disponible de estas dos fuentes, mayor será la velocidad de reacción química y más rápido el envejecimiento.

Las baterías de iones de litio que se utilizan en el entorno de la automoción deben durar entre 10 y 15 años. Por lo tanto, los proveedores de baterías de iones de litio para automóviles no recomiendan cargar las baterías por encima de 3,8 V. Esto no permite el uso de la capacidad total de la batería, pero es lo suficientemente bajo en el PDF de energía de activación para mantener la corrosión al mínimo. El terminal positivo de fosfato de hierro tiene una curva de descarga menos profunda, por lo que retiene más capacidad a 3,8 V.

Los fabricantes de baterías suelen almacenar las baterías a 15 °C (59 °F) y un estado de carga (SoC) del 40 % para minimizar el envejecimiento. Lo ideal sería que el almacenamiento se realizara al 4% o 5% de SoC, pero nunca debe llegar al 0%, o la batería puede dañarse. Por lo general, un IC de protección de paquete de batería evita que la batería alcance el 0 % de SoC. Pero la protección del paquete no puede evitar la autodescarga y el propio IC de protección del paquete consume algo de corriente. Aunque las baterías de iones de litio tienen menos autodescarga que la mayoría de las otras baterías secundarias, el tiempo de almacenamiento es algo ilimitado. Por lo tanto, el 40 % de SoC representa un compromiso entre minimizar el envejecimiento y prevenir daños durante el almacenamiento (consulte la Figura 2).

En las aplicaciones portátiles, la reducción de la capacidad de una estrategia SoC tan reducida se ve negativamente en las especificaciones de marketing. Pero es suficiente detectar la combinación de calor ambiental alto y SoC de batería alto para implementar un algoritmo que minimice el envejecimiento y garantice la máxima disponibilidad de capacidad para el usuario.

El LTC4099 tiene un acondicionador de batería incorporado que se puede habilitar o deshabilitar (predeterminado) a través del I²interfaz C. Si el acondicionador de batería está habilitado y el LTC4099 detecta que la temperatura de la batería es superior a ~60 °C, la descarga suavemente para minimizar los efectos del envejecimiento. La medición de temperatura LTC4099 NTC siempre está encendida y disponible para monitorear la temperatura de la batería. Este circuito es un circuito de micropotencia, que consume solo 50 nA y aún proporciona una funcionalidad completa.

La cantidad de corriente utilizada para descargar la batería sigue la curva que se muestra en la Figura 3, y llega a cero cuando el voltaje del terminal de la batería es de ~3,85 V. Si la temperatura de la batería cae por debajo de ~40 °C y hay disponible una fuente de energía, el LTC4099 vuelve a cargar la batería. Por lo tanto, la batería está protegida de las peores condiciones de envejecimiento de la batería.

Aunque el envejecimiento de las baterías de iones de litio no se puede detener, el acondicionador de batería del LTC4099 garantiza la máxima vida útil de la batería al evitar las condiciones de alto voltaje y alta temperatura simultáneos que destruyen la batería. Además, la micropotencia, siempre en el circuito de monitoreo NTC, asegura que la batería esté protegida de condiciones potencialmente mortales en todo momento.