Al operar dispositivos alimentados por batería en temperaturas extremadamente frías, debe asegurarse de que tanto la máquina como su fuente de alimentación sean capaces de soportar estas duras condiciones. Los entornos fríos afectan significativamente el rendimiento de la batería, por lo que seleccionar la batería adecuada es crucial para un funcionamiento seguro, eficaz y duradero.
Para elegir la mejor batería para frío extremo, es importante comprender cómo las bajas temperaturas afectan a los diferentes tipos de baterías e identificar qué tecnologías pueden mantener un rendimiento confiable en estos entornos desafiantes. Algunas baterías son excelentes en condiciones de frío, mientras que otras fallan rápidamente, por lo que una selección adecuada es esencial para aplicaciones críticas.
En este artículo, cubriremos todo eso para ayudarle a seleccionar un producto que satisfaga sus necesidades exactas.
¿Cómo afectan las bajas temperaturas a las baterías de litio?
En pocas palabras, las temperaturas extremadamente bajas ralentizan las reacciones químicas que ocurren dentro de una batería, lo que provoca un rendimiento deficiente y daños permanentes. En estas condiciones, la capacidad de carga disminuye, mientras que la resistencia interna aumenta. Todo esto resulta en tiempos de funcionamiento más cortos, menor vida útil de la batería y fallos de la misma.
Para evitar estos problemas, las baterías de litio comunes tienen un rango de temperatura recomendado de -20 °C a -55 °C. Para condiciones fuera de este rango, se necesitan baterías especiales de baja temperatura para garantizar la seguridad y la longevidad de la batería.
¿Son permanentes los daños por baja temperatura en las baterías de litio?
Debido a que las temperaturas extremadamente bajas crean reacciones químicas dentro de las baterías de litio estándar que son irreversibles, el daño resultante es permanente. Para entender qué ocurre exactamente dentro de la batería y cómo, comencemos con algunos conceptos básicos.
Las baterías de iones de litio tienen un electrodo positivo y uno negativo. Durante la carga, los iones de litio comienzan su recorrido en la red del electrodo positivo, atraviesan el separador de electrolitos hasta el electrodo negativo y se incrustan en las capas de grafito. Durante la descarga, ocurre lo contrario: los iones de litio viajan desde la capa de grafito del electrodo negativo hasta la red del electrodo positivo.
Al exponerse a bajas temperaturas, todo se ralentiza, desde el movimiento de las moléculas transportadas, hasta la velocidad de reacción, pasando por el proceso de transporte de material en su conjunto.
Esta desaceleración es especialmente evidente en el caso de los iones y átomos de litio en las capas de grafito y la red del electrodo positivo. El litio comienza a acumularse en la interfaz electrodo-electrolito en lugar de incrustarse en la capa de grafito, lo que provoca la formación de dendritas de litio (acumulación de litio metálico en la superficie del electrodo negativo) durante la carga.
Se trata de una reacción de conversión irreversible que puede provocar pérdida de capacidad, aumento de cortocircuitos y riesgos de seguridad como resultado del daño estructural causado por las dendritas de litio.
Cuando una batería se descarga a temperaturas extremadamente bajas, el material activo positivo se degrada y se acumulan partículas metálicas, ya que estas se rompen del electrodo positivo y los elementos metálicos de transición migran al electrodo negativo. Esto provoca la formación de depósitos de litio en la batería.
¿Cuánta capacidad se pierde cuando las baterías de litio estándar se exponen a temperaturas frías?
En un estudio, investigadores demostraron cuánta capacidad se puede perder cuando las baterías de litio estándar se exponen a bajas temperaturas. En el estudio, los investigadores dejaron las baterías a bajas temperaturas durante 48 horas, las volvieron a calentar a temperatura ambiente y luego las analizaron para detectar pérdida de capacidad en dos configuraciones.
Las baterías que se cargaron y descargaron a un ritmo lento/pequeño perdieron el 3.2 % de su capacidad, y las baterías que se cargaron y descargaron a un ritmo rápido/alto perdieron el 6 % de su capacidad.
Hay dos causas principales de problemas de almacenamiento resultantes de la exposición a bajas temperaturas, como se muestra en la Figura 3:
- La rotura del electrodo positivo.
- El desprendimiento de partículas de electrodos positivos forma el aglutinante y la consiguiente disminución de la actividad electroquímica.
Además de los problemas de almacenamiento, este daño permanente puede provocar la falla total de la batería e incluso riesgos de seguridad como su explosión. Por eso, los expertos recomiendan el uso de baterías de litio especialmente diseñadas para bajas temperaturas en entornos extremadamente fríos.
¿En qué se diferencian las baterías de litio de baja temperatura de las baterías estándar?
Si bien las baterías estándar tienen un rango de temperatura recomendado de -20 °C a +50 °C, las baterías de litio de baja temperatura especialmente diseñadas pueden funcionar de manera segura y eficaz a temperaturas inferiores a -20 °C.
Estas baterías comparten una estructura similar a las baterías de litio estándar, pero los ingenieros modifican sus electrolitos y membranas para soportar la carga, descarga y almacenamiento de energía en temperaturas más frías.
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