Los cambios químicos de una batería causados por la temperatura

Los cambios químicos de una batería causados por la temperatura

Cambios químicos de una batería. Las baterías son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química en energía eléctrica o viceversa por medio de reacciones químicas controladas entre un conjunto de productos químicos activos.

Desafortunadamente las reacciones químicas deseadas en el que la batería depende suelen ir acompañadas de reacciones químicas no deseadas que consumen algunos de los productos químicos activos o impiden sus reacciones.
Incluso si los productos químicos activos de la celda no se ven afectados con el tiempo, las celdas pueden fallar debido cambios químicos o físicos no deseados en las juntas de mantenimiento del electrolito .
Nota:
Bajo condiciones diferentes de presión, temperatura, campo eléctrico y la duración de la reacción, los productos químicos activos en una calda pueden romper o combinar de muchas maneras diferentes.
De acuerdo con Guoxian Liang, de la compañía de materiales de litio Phostech, las siguientes combinaciones de los elementos utilizados en los cátodos de las células de litio fosfato de hierro se han encontrado en algunos productos impuros además del compuesto activo deseado LiFePo 4 :
Fe 3 (PO 4 ) 2 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , Fe 2 PO 5 , Fe 2 P 2 O 7 , FePO 4 , Fe (PO 3 ) 3 , Fe 7 (PO 4 ) 6 , Fe 2 P 4 O 12 , Fe 3 (PO 4 ) 2 , Fe 3 (P 2 O 7 ) 2 , FePLi 2 O, LIPO 3 , Li 2 O, Li 3 PO 4 , Li 4 P 2 O 7 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, Fe, FEP, LiFeO 2 , Li 5 FeO 4 , LiFeP 2 O 7 , Li 2 FEP 2 O 7 , Li 9 Fe 3 (P 2 O 7 ) 3 (PO 4 ) 2 , P 2 O 5 , y otros.
Estos compuestos son presentes sólo a partir del material del cátodo, pero hay muchos otros elementos presentes en los ánodos, electrolitos, aglutinantes y otros aditivos que se utilizan en la celda, habiendo muchas posibles combinaciones.
El resultado es una reducción en la cantidad de productos químicos activos en la celda y la consiguiente reducción de su capacidad . Someter a la batería a corrientes excesivas también aporta problemas como una reducción en el ciclo de vida de la batería. Consulte los tiempos de carga en otro artículo y velocidad de carga de más abajo.
Es tarea de los diseñadores de celdas e ingenieros de aplicaciones de baterías crear la receta electroquímica y las condiciones de funcionamiento estables para asegurar que las reacciones deseadas se optimizan y los efectos secundarios indeseables se supriman.

Efectos de la temperatura

Las reacciones químicas internas de la batería son impulsadas ya sea por la tensión o la temperatura.
Cuanto más caliente esté la batería, las reacciones químicas se producirán más rápido. Las altas temperaturas por lo tanto pueden proporcionar un mayor rendimiento, pero al mismo tiempo la velocidad de las reacciones químicas no deseadas aumentará resultando en una disminución de la vida de la batería.
La vida útil y retención de carga depende de la tasa de auto descarga y auto descarga es el resultado de una reacción química no deseada en la celda.
Del mismo modo las reacciones químicas adversas, tales como la pasivación de los electrodos, la corrosión y con cámaras de gas son causas comunes de ciclo de vida reducido.
Por lo tanto, la temperatura afecta tanto a la vida de aquel y el ciclo de vida, así como retención de carga, ya que se deben a reacciones químicas.
Incluso las baterías que están diseñadas específicamente alrededor de las reacciones químicas, temperatura (como las baterías Zebra) no son inmunes a los fracasos inducidos por el calor, que son el resultado de reacciones parásitas dentro de las celdas.
La ecuación de Arrhenius define la relación entre la temperatura y la velocidad a la que procede la acción química. Esto demuestra que la tasa aumenta exponencialmente a medida que aumenta la temperatura.
Como regla general, por cada 10 º C de aumento en la temperatura la velocidad de reacción se duplica. Así, una hora a 35 º C es equivalente en la vida de la batería a dos horas a 25 º C. El calor es el enemigo de la batería y como muestra de Arrhenius, incluso un pequeño aumento en la temperatura tendrá una gran influencia en el rendimiento de la batería que afecta tanto a las reacciones químicas deseados y no deseados.

Gráfico principal

El siguiente gráfico muestra cómo la vida de la alta capacidad tubular de Ironclad baterías de plomo-ácido usadas en aplicaciones de emergencia durante los años varía con la temperatura de funcionamiento.
Tenga en cuenta que el trabajo a 35 º C, las baterías ofrecen más de su capacidad nominal, pero su vida es relativamente corta, mientras que una larga vida es posible si las baterías se mantienen a 15 º C.
Como ejemplo de la importancia de las condiciones de temperatura de almacenamiento: de níquel-metal hidruro (NiMH) de la química, en particular, es muy sensible a las altas temperaturas. Las pruebas han demostrado que la exposición continua a 45 º C reducirá el ciclo de vida de una batería I-MH el 60 por ciento y al igual que con todas las pilas, la tasa de auto descarga se duplica con cada 10 º C de aumento en la temperatura.
Aparte del deterioro gradual de la célula a través del tiempo, bajo condiciones de abuso, los efectos de la temperatura pueden conducir a un fallo prematuro de la celda. Esto puede ocurrir incluso en condiciones normales de funcionamiento si la tasa de calor generado en la batería excede la tasa de pérdida de calor al medio ambiente.
En esta situación, la temperatura de la batería continuará aumentando a una condición conocida como escapes térmicos que finalmente tiene como resultado consecuencias desastrosas.
La conclusión es que las temperaturas elevadas durante el almacenamiento o el uso afectan gravemente a la vida de la batería.
Efectos de la presión
Estos problemas se relacionan solamente con celdas selladas.
El aumento de la presión interna dentro de una célula es generalmente la consecuencia de aumento de la temperatura. Varios factores pueden desempeñar un papel en el aumento de la temperatura i de la presión.
Corrientes excesivas o una temperatura ambiente elevada hará subir la temperatura de la celda y la consiguiente expansión de los productos químicos activos, a su vez causa que suba la presión interna en la celda.
La sobrecarga también causa un aumento de la temperatura, pero es más grave, la sobrecarga también puede provocar la liberación de los gases resultantes en una mayor acumulación de la presión interna.
Desafortunadamente el aumento de la presión tiende a magnificar los efectos de altas temperaturas mediante el aumento de la tasa de las reacciones químicas en la celda, no sólo la reacción galvánica deseada , sino también otros factores como la tasa de auto descarga o en casos extremos, que contribuyen a la fuga térmica.
Presiones excesivas también pueden causar fallos mecánicos dentro de las celdas, tales como cortocircuitos entre las partes, las interrupciones en la ruta actual o hinchazón de la carcasa de la celda o en el peor de los casos la ruptura real de la cubierta de la celda. Todos estos factores tienden a reducir la duración del potencial de la batería.
Por lo general este tipo de problemas sólo se producen en situaciones de abuso. Sin embargo los fabricantes no tienen ningún control sobre cómo el usuario trata a las celdas una vez que han salido de la fábrica, y por razones de seguridad, las salidas de liberación de presión se incorporan a las celdas para proporcionar una liberación controlada de la presión si hay la posibilidad de que podría llegar a niveles peligrosos.

Profundidad de descarga (DOD)

A una determinada velocidad y temperatura de descarga, la cantidad de productos químicos activos transformada con cada ciclo de carga – descarga será proporcional a la profundidad de la descarga.
La relación entre el ciclo de vida y la profundidad de descarga parece ser logarítmica como se muestra en el gráfico 1 . En otras palabras, el número de ciclos producidos por una batería aumenta exponencialmente si la descarga es poca.. Esto es válido para la mayoría de las reacciones químicas de las celdas.
(La curva sólo se parece a una curva logarítmica pero, en realidad, es una curva de reciprocidad establecida en el papel logarítmico).
Hay lecciones importantes aquí, tanto para los diseñadores como los usuarios. Al limitar la posible DOD en la solicitud, el diseñador puede mejorar drásticamente el ciclo de vida del producto. Del mismo modo el usuario puede obtener una vida mucho más larga de la batería mediante el uso de celdas con una capacidad de poco más de la requerida o por la cabeza de la pila de reserva antes de que se descargue por completo.
Es común que las celdas utilicen para “microciclo” (aplicaciones de pequeña corriente de carga y descarga ) un ciclo de vida de entre 300.000 y 500.000 ciclos.
Los usuarios de teléfonos móviles suelen recargar sus baterías cuando lo recomendado es sólo del 25 al 30 por ciento. En este bajo DOD una batería de iones de litio se puede esperar para alcanzar entre 5 y 6 veces el ciclo de vida de la batería se especifica que asume la descarga completa cada ciclo. Así, el ciclo de vida mejora considerablemente si lo recomendado se reduce.
Pilas de níquel cadmio son algo así como una excepción a esta regla. Someter a la batería a las descargas parciales sólo da lugar al efecto llamado de memoria que sólo puede invertirse por descarga profunda.
Algunas aplicaciones, tales como los vehículos eléctricos o el uso marino puede requerir la capacidad máxima de ser extraída de la batería que significa descarga de la batería muy alto. DOD.Especiales “de la batería de ciclo profundo” puede dañar las baterías de uso general y debe ser utilizado para aplicaciones de este tipo desde la descarga total.
En particular, las típicas baterías de automoción SLI sólo están diseñadas para trabajar hasta el 50% del recomendado, mientras que las baterías de tracción puede llegar a trabajar a un 80% al 100% del recomendado.
Nivel de carga
El ciclo de vida de las baterías de litio se puede aumentar mediante la reducción de la carga cuando el voltaje de corte. Esto da esencialmente a la batería una carga parcial en vez de completamente que la carga, similar a trabajar en una menor DOD como en el ejemplo anterior.
Velocidad de carga
La duración de la batería también se ve influida por la reducción tarifa. La capacidad de carga en las tasas de descarga de alta se debe a la transformación de los productos químicos activos que no pueden seguir el ritmo de la corriente consumida.
El resultado es una reacción química incompleta o no deseada y una reducción asociada de la capacidad como se señala en el párrafo sobre los cambios químicos más arriba.
Esto puede ir acompañado por cambios en la morfología de los cristales de electrodos, tales como grietas o crecimiento de los cristales que afectan negativamente a la impedancia interna de la celda. Problemas similares se producen durante la carga.
Existe una limitación en cuanto a la rapidez con que los iones de litio pueden entrar en las capas de intercalación del ánodo. Tratar de forzar demasiado la corriente a través de la batería durante los resultados del proceso de carga en los iones excedentes de haberse depositado en el ánodo en forma de metal de litio.
Conocido como chapado de litio, esto nos da como resultado una pérdida de capacidad irreversible.
Al mismo tiempo, mantener las tensiones necesarias más altas para la carga rápida puede conducir a la descomposición del electrolito que da como resultado una pérdida de la capacidad. De lo anterior se puede deducir que con cada ciclo de carga / descarga irá en aumento la pérdida irreversible y acumulada de capacidad.
Aunque esto puede ser imperceptible, en última instancia, la reducción de la capacidad en la celda se traducirá en la incapacidad de almacenar la energía requerida por la especificación. En otras palabras, se llega al final de su vida útil y puesto que la pérdida de capacidad es provocada por la operación de corriente alta, se puede esperar que el ciclo de vida de la batería sea más corto, mayor es la corriente que lleva.
Efectos de tensión
Las baterías recargables tienen cada uno una característica gama de trabajo de tensión asociada con la química particular empleada en cada celda.
Los límites de tensión prácticos son una consecuencia de la aparición de reacciones químicas no deseadas que tienen lugar más allá de la gama de trabajo seguro.
Una vez que todos los productos químicos activos se han transformado en la composición asociado con una celda completamente cargada, forzando más energía eléctrica en la celda hará que se calientan y para iniciar las reacciones más deseadas entre los componentes químicos descomponiéndolos en formas que no pueden ser recombinados.
Así intentar cargar una celda por encima de su límite superior de voltaje puede producir reacciones químicas irreversibles que pueden dañar la celda. Si no se controla el aumento de la temperatura y la presión que acompaña a estos eventos podría conducir a la ruptura o explosión de la celda y la liberación de productos químicos peligrosos o incendios.
De manera similar, descargando una celda por debajo de su límite más bajo de tensión recomendado también puede resultar el daño permanente, aunque menos peligroso, debido a las reacciones químicas adversas entre los productos químicos activos.
Los circuitos de protección están diseñados para mantener la celda dentro de su rango recomendado y trabajar con los límites establecidos para incluir un margen de seguridad. Esto se discute con más detalle en la sección de protección.
Estimaciones del ciclo de vida normal supone que las celdas sólo se utilizarán dentro de sus límites de operación especificados, sin embargo esto no se hace siempre en la práctica y al mismo tiempo nos alejamos más de los límites establecidos para un período corto o por un margen menor de edad por lo general no va a causar la destrucción inmediata de la celda pero su ciclo de vida se veran afectados.
Por ejemplo, continuamente a lo largo de las descargas de las células NiMH de 0,2 V puede resultar en una pérdida del 40 por ciento de la vida del ciclo, y 0,3 V sobre-descarga de la química de iones de litio puede resultar en una pérdida del 66 por ciento de la capacidad. Las pruebas han demostrado que la sobrecarga pilas de litio de 0,1 V o 0,25 voltios no darán lugar a problemas de seguridad, pero puede reducir el ciclo de vida hasta en un 80 por ciento.
Por lo tanto la carga y control de descarga son esenciales para preservar la vida de la batería