Guía definitiva sobre el envejecimiento de la batería

Es una prioridad para muchos proveedores de servicios de transporte y energía garantizar la longevidad y el rendimiento óptimo de sus baterías. Al comprender mejor el envejecimiento de la batería, podemos aprender cómo prolongar la vida útil de las baterías.

Artículo de | Inteligencia de batería ACCURE

Este artículo presentará muchos términos nuevos sobre el envejecimiento de las baterías de iones de litio. Debido a que no todos son expertos en baterías, permítanme explicar algunos términos fundamentales para ayudarnos a abordar el tema del envejecimiento de las baterías:

Término clave

Definición

El envejecimiento de la batería es muy complejo, no lineal y está influenciado por muchos parámetros. Se puede observar, por ejemplo, que las baterías envejecen aunque no se utilicen. Pero, en general, las baterías envejecen más rápido si se usan. Para manejar la complejidad, es una práctica común dividir el envejecimiento en tres grupos: envejecimiento calendárico, cíclico y reversible:

Cuando las baterías envejecen, se producen simultáneamente diferentes mecanismos de envejecimiento. Cada mecanismo de envejecimiento tiene un impacto en el comportamiento de la batería. El impacto se puede dividir en dos parámetros de rendimiento: capacidad y resistencia interna.

Las baterías pierden capacidad cuando envejecen. Para un vehículo eléctrico, la pérdida de capacidad significa que el EV no puede conducir tan lejos como antes sin detenerse para recargarlo. Y para el almacenamiento de energía estacionario, significa que la batería puede almacenar menos energía y, por lo tanto, generar menos ingresos. La rapidez con la que disminuye la capacidad depende de una serie de factores, incluido el tipo de batería, las tasas de carga y descarga, las temperaturas a las que está expuesta y la cantidad de ciclos que ha sufrido.

Al observar el envejecimiento de una batería de iones de litio, la tendencia al envejecimiento se puede dividir aproximadamente en tres fases, como se ilustra en la Figura 1:

Figura 1: Envejecimiento de la batería - Ciclo de vida típico de la capacidad de la batería‍

A diferencia de la pérdida de capacidad, la resistencia interna de una batería aumenta con el tiempo, lo que a la inversa conduce a una reducción de potencia. Esto es especialmente relevante para los vehículos eléctricos híbridos (HEV). El aumento de la resistencia interna en un HEV significa que no puede acelerar tan rápido como antes y recuperan menos energía al frenar. Para los operadores de almacenamiento estacionario, esto significa una eficiencia y una capacidad de energía reducidas.

La principal causa del envejecimiento de las baterías de iones de litio es el crecimiento de la interfase de electrolito superficial (SEI). La capa SEI se forma en el electrodo negativo durante el primer ciclo de carga, comúnmente denominado ciclo de formación. El SEI se vuelve más grueso con el tiempo y está influenciado principalmente por la química del electrolito y el estrés mecánico de los materiales activos. El SEI generalmente se forma en el ánodo, que en su mayoría está hecho de grafito, a veces mezclado con silicio.

A medida que crece la interfase de electrolitos superficiales, se une al litio. Posteriormente, menos iones de litio participan en las reacciones de carga y descarga y la capacidad de la batería disminuye. Los iones de litio también pasan a través de la capa SEI cuando la batería está cargada y descargada. Cuanto más grueso sea el SEI, más difícil será para los iones moverse a través de él. Por eso aumenta la resistencia interna: el SEI crece a medida que la batería envejece.

Además del crecimiento de SEI, existen numerosos procesos adicionales, como el agrietamiento y la corrosión, que influyen en el envejecimiento de la batería, pero los cubriremos en un artículo diferente.

Envejecimiento calendárico

Los principales impulsores del envejecimiento calendárico son la temperatura y el estado de carga (SOC). En general, a temperaturas más altas y SOC, las baterías envejecen más rápido. Una disminución promedio de 10 °C o 50 °F puede duplicar la vida útil de una batería, como se ilustra en la Figura 2. Sin embargo, recuerde no operar sus baterías a temperaturas demasiado bajas debido al trenzado de litio.

Figura 2: Comparación del envejecimiento de la batería a lo largo del tiempo en diferentes estados de carga y temperatura

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Con SOC más altos, especialmente por encima del 90 por ciento, el envejecimiento de la batería aumenta rápidamente, como se ilustra en la Figura 3.3, 4, 5

Figura 3: Comparación del envejecimiento de la batería a lo largo del tiempo en diferentes estados de carga

El envejecimiento cíclico está dominado por el rendimiento de la energía, la cantidad de energía que se mueve a través de la batería en un período de tiempo específico, por lo que la cantidad de ciclos juega un papel clave. Sin embargo, los ciclos pequeños son menos dañinos que los grandes, como se muestra en la Figura 4 (abajo). Por ejemplo, tres ciclos con un 20 % de profundidad de descarga (DOD) son menos dañinos en comparación con un ciclo con un 60 % de DOD, aunque el rendimiento total de energía sea el mismo. Esto significa que la batería puede soportar más ciclos si la profundidad de descarga se mantiene dentro de un rango limitado.

Figura 4: Comparación de ciclos sostenidos a diferentes profundidades de descarga

‍Además, la potencia de carga influye en la vida útil cíclica. Una mayor potencia de carga o "carga rápida" conduce a un mayor envejecimiento. Una de las razones es que cargar una batería con mucha potencia eleva la temperatura, lo que conduce a un envejecimiento acelerado. Otra razón es el mayor riesgo del recubrimiento de litio.

Además de la temperatura, la potencia de carga, el rendimiento y la profundidad de descarga, otros efectos, como los cambios de fase, también aceleran el envejecimiento de la batería. Para obtener información más detallada, pregunte a un experto en baterías[at]ACCURE.net

Usando los conocimientos sobre los efectos del envejecimiento descritos anteriormente, se pueden desarrollar estrategias de operación inteligente para prolongar fácilmente la vida útil de la batería. A continuación se presentan algunas recomendaciones para diferentes aplicaciones. Pero lo más importante que debe recordar es operar las baterías solo dentro de los límites del proveedor indicado. Por ejemplo, no cargue las baterías a temperaturas demasiado frías o demasiado calientes.

Es especialmente importante operar los vehículos eléctricos de una manera amigable para toda la vida porque entre un tercio y la mitad del precio del EV es para la batería. No cargue completamente la batería directamente después de llegar a casa cuando solo se condujo una pequeña parte de la autonomía completa. Mantener la batería completamente cargada acelera tanto el envejecimiento que muchos fabricantes de automóviles requieren que los usuarios accedan manualmente a cargar la batería al 100 por ciento.

Algunas aplicaciones para vehículos eléctricos ofrecen funciones inteligentes en las que el usuario ingresa el momento en que necesita que se cargue el automóvil para evitar altos SOC durante períodos prolongados. Por ejemplo, el usuario debe llegar al trabajo a las 7 a. m., luego el automóvil comenzará a cargarse a las 4 a. m. incluso si el automóvil se enchufa antes.

Finalmente, se recomienda cargar rápidamente el EV solo cuando sea necesario. La carga rápida utiliza corrientes elevadas, lo que puede provocar temperaturas elevadas. Ambos son muy costosos en términos de envejecimiento.

En el sector del almacenamiento a gran escala, a menudo se pasa por alto el envejecimiento de las baterías. La mayoría de los sistemas de almacenamiento a gran escala funcionan con un software que carece de funcionalidad y que tiene en cuenta de manera integral el envejecimiento de la batería. Por ejemplo, el software está diseñado para optimizar los ingresos generados pero descuida los costos de degradación de la participación en el mercado.

Para optimizar el costo total de propiedad (TCO) de los sistemas de almacenamiento a gran escala, se deben tener en cuenta los costos de degradación de los diferentes ciclos. Con un gemelo digital, los costos de cada ciclo se pueden rastrear y consolidar entre sistemas para comparar. Con el conocimiento tanto de los ingresos como de los costos de participación en el mercado, la operación general se puede optimizar para obtener el máximo valor total del activo.

Los hogares privados con sistemas fotovoltaicos (PV) en la azotea utilizan sistemas de almacenamiento de energía de baterías domésticas para aumentar el autoconsumo de energía. Estos sistemas de baterías cuestan miles y tienen una demanda cada vez mayor. El año pasado en los Estados Unidos, el mercado de almacenamiento residencial tuvo dos trimestres récord de 375 (Q2) y 400 (Q4) MWh instalados.6 Solo en Alemania, hay un estimado de 700,000 sistemas de almacenamiento doméstico individual.7

La mayoría de los días, los sistemas de baterías domésticos almacenan más energía de la que se consume. Como resultado, los sistemas de almacenamiento se ciclan en rangos altos de SOC de 50 a 100 por ciento, lo que provoca un mayor envejecimiento. Para reducir el envejecimiento, la configuración del sistema debe retrasar la carga de las baterías hasta más tarde en el día. De esta forma, las baterías pasan menos tiempo en general en estados de carga más altos.

Además, el análisis predictivo de la batería puede calcular un SOC máximo necesario en función del comportamiento de uso real a lo largo del tiempo. Con esta información, el sistema se puede configurar para mantener el SOC específico del usuario para reducir considerablemente el estado de carga promedio y prolongar la vida útil.

Un error común es mantener las baterías de iones de litio completamente cargadas la mayor parte del tiempo. Aquí hay recomendaciones para ajustar la rutina de carga para prolongar la vida útil de la batería y aumentar la seguridad:

El Departamento de Bomberos de la ciudad de Nueva York tiene una descripción general útil de los consejos de seguridad para cargar dispositivos de iones de litio aquí.

La forma en que se usan las baterías y las condiciones en las que funcionan tienen un impacto significativo en el envejecimiento. Esto significa que las empresas que controlan las operaciones y el mantenimiento pueden prolongar la vida útil de la batería con ajustes simples pero inteligentes. Cada batería envejece de manera diferente, por lo que recomendamos una solución de inteligencia comercial de baterías que analice los datos de operación para ayudar a determinar la estrategia operativa más segura y rentable para su situación específica. Puede hacer mucho más para prolongar la vida útil de las baterías cuando convierte los datos en acciones.

Referencias

1 Amrita Dasgupta, Max Schoenfisch. Análisis profundo de infraestructura de almacenamiento a escala de red, Asociación Internacional de Energía. Fecha de la última revisión: septiembre de 2022. Fecha de consulta: 8 de marzo de 2023 [https://www.iea.org/reports/grid-scale-storage]

2 Martín Placek. Metales y electrónica › Electrónica, Cuota de mercado de diferentes tipos de baterías EV en todo el mundo 2020-2050, statista. Fecha de última revisión: 6 de enero de 2023. Fecha de consulta: 8 de marzo de 2023 ]

3 Peter Keil et al 2016. Calendario de envejecimiento de las baterías de iones de litio, Revista de la Sociedad Electroquímica, Soc.163 A1872. Fecha de consulta: 3 de abril de 2023 [https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.0411609jes]

4 Madeleine Ecker et al 2014. Calendario y estudio del ciclo de vida de las baterías de iones de litio 18650 basadas en Li(NiMnCo)O2, Journal of Power Sources, volumen 248, páginas 839-851, ISSN 0378-7753. Fecha de consulta: 3 de abril de 2023 [https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.09.143]

5 Georg Angenendt, Hendrik Axelsen, Sebastian Zurmühlen, 2018. PV Home Storage System (PV-HOST) estrategias operativas y configuraciones del sistema para el almacenamiento de baterías para viviendas unifamiliares con sistemas fotovoltaicos": Informe sobre el subproyecto de la Universidad RWTH de Aquisgrán: Informe final (alemán), ISEA, RWTH Aachen University Fecha de consulta: 3 de abril de 2023 [https://www.tib.eu/en/suchen/id/TIBKAT:1016723725/]

6 El mercado de almacenamiento de energía a escala de red de EE. UU. del tercer trimestre establece un nuevo récord, Wood Mackenzie. Fecha de la última revisión: 15 de diciembre de 2022. Fecha de consulta: 08 de marzo de 2023 [https://www.woodmac.com/press-releases/q3-us-grid-scale-energy-storage-market-sets-new-record/ ]

7 Sandra Enkhardt. 500.000 sistemas de almacenamiento doméstico fotovoltaico ahora instalados en Alemania, PV Magazine. Fecha de última revisión: 6 de abril de 2022. Fecha de consulta: 8 de marzo de 2023 ]

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