Características de las baterías en condiciones climáticas extremas

En condiciones extremas, una de las cosas más importantes es contar con una fuente de energía fiable. Si quieres saber qué batería es la mejor para tu situación, primero debes saber cómo les afecta el clima frío. Las baterías son muy sensibles a los cambios frecuentes de temperatura y a ciertas condiciones climáticas, lo que afecta su vida útil; por ello es importante diseñar sistemas eficaces de gestión térmica de baterías que mejoren la disipación de calor y cumplan requisitos como alta potencia, tasas de carga rápidas y un rendimiento mejorado. Estos cambios rápidos en las baterías deben supervisarse y gestionarse cuidadosamente para evitar problemas de seguridad y térmicos. En conclusión, la gestión térmica en un vehículo eléctrico es importante para prolongar la vida útil de la batería en condiciones climáticas extremas.

‍Uso de baterías de litio en climas fríos:

Vivir fuera de la red eléctrica puede volverse peligroso cuando las temperaturas caen bajo cero, y quieres asegurarte de que tus necesidades básicas estén cubiertas.

Las baterías de plomo-ácido suelen tener un rendimiento inferior al de sus equivalentes de litio. Esto convierte a las baterías de litio en la fuente de energía preferida para quienes desean explorar lugares donde las temperaturas descienden a niveles gelidos. El daño a la batería al cargarla a temperaturas más frías es proporcional a la tasa de carga. Cargar a un ritmo mucho más lento puede reducir el daño, pero rara vez es una solución práctica. Las temperaturas por debajo de 0°C reducen tanto la eficiencia como la capacidad utilizable de las baterías de litio, aunque siguen ofreciendo entre el 95 y el 98 % de su capacidad con muy poca pérdida.

Cuando las temperaturas están entre 0°C y -10°C, las baterías no pueden cargarse a más de 1C. Entre -10°C y -20°C, no pueden cargarse a más de 0,05C. A aproximadamente -30°C, la capacidad en Ah de la batería cae al 50 %. Por debajo de -30°C, la capacidad se reduce en un 20 %. Estas tasas de carga aumentan considerablemente la duración de la carga y complican todo el proceso. Al cargar a temperaturas superiores a cero, los iones de litio dentro de la batería son absorbidos, como una esponja, por el grafito poroso que forma el ánodo, el terminal negativo de la batería.

Por debajo de cero, sin embargo, los iones de litio no son captados eficazmente por el ánodo. En su lugar, muchos iones de litio se depositan en la superficie del ánodo, un proceso llamado plateado de litio, lo que significa que hay menos litio disponible para generar el flujo de electricidad y la capacidad de la batería disminuye. Cargar por debajo de cero a una tasa de carga inadecuada también hace que la batería sea mecánicamente menos estable y más propensa a fallos repentinos. A menos que tu BMS se comunique con tu cargador y este pueda reaccionar a los datos proporcionados, esto puede ser difícil de gestionar. Si cargas a temperaturas bajo cero, la corriente de carga debe ser del 5 al 10 % de la capacidad de la batería.

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Amplias variaciones de temperatura

El voltaje de carga de la batería también cambia con la temperatura. Varía desde aproximadamente 2,74 voltios por celda a -40°C hasta 2,3 voltios por celda a 50°C. Por eso deberías contar con compensación de temperatura en tu cargador o regulador de carga si tus baterías están al aire libre y/o expuestas a amplias variaciones de temperatura.

Hemos observado una demanda creciente de baterías de baja temperatura (<– 40°C) en campos específicos como aeronaves de gran altitud, expediciones polares, ciertos equipos militares, entre otros.

Al mismo tiempo, la aparición frecuente de fenómenos meteorológicos extremos, como el reciente vórtice polar que barrió medio hemisferio norte, ha generado numerosas preocupaciones sobre la reducción de la autonomía de los packs de baterías, así como la menor durabilidad de las baterías en muchos otros dispositivos electrónicos o herramientas eléctricas, y también impulsa la creciente exigencia de rendimiento de las baterías a temperaturas ultrabajas. El origen del deterioro del rendimiento electroquímico a baja temperatura se ha identificado de la siguiente manera:

1. el electrolito se vuelve más viscoso o incluso se congela, lo que empeora la movilidad iónica y la humectabilidad del electrodo
2. la transferencia de carga dentro del electrodo se vuelve mucho más difícil debido a la resistencia intrínseca de los límites de grano y la lenta difusión de iones metálicos en la red inorgánica
3. la interfaz de electrolito sólido (SEI) se vuelve menos permeable a los iones metálicos
4. la reacción de deposición metálica se vuelve muy problemática. Estos factores conducen colectivamente a una disminución de la cinética, y sus efectos combinados dificultan más la resolución del problema

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Caso de estudio:

Para probar nuestro modelo mediante análisis térmico de baterías que operan en condiciones climáticas severas como -40°C, se realizaron los siguientes pasos y se muestran los resultados:

1. Definición de los parámetros de prueba:
   • Definición de los aspectos específicos del rendimiento térmico, considerando la temperatura extremadamente baja (-40°C); identificamos los límites de temperatura críticos o los criterios de rendimiento que las baterías deben cumplir en estas condiciones climáticas severas.
2. Modelado computacional:
   • Mediante software de análisis térmico capaz de simular el comportamiento térmico de la batería en condiciones de frío extremo, se crea un modelo virtual detallado del sistema de batería, teniendo en cuenta su geometría, materiales y componentes internos, garantizando que el modelo represente con precisión las características físicas de las baterías.
   • Se definieron las condiciones de contorno, incluyendo la temperatura ambiente fijada en -40°C, las tasas de generación de calor, la conductividad térmica y las capacidades caloríficas específicas de los materiales involucrados, y se realizaron las simulaciones.

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3. Pruebas experimentales (método opcional):
   • Considerar la realización de pruebas experimentales en cámaras frías para validar los resultados obtenidos mediante modelado computacional, utilizando termopares u otros dispositivos de medición de temperatura para monitorizar la temperatura de la batería durante las pruebas y evaluar su rendimiento, capacidad y estabilidad
   • Comparar los resultados experimentales con los resultados de la simulación para validar la precisión del modelo computacional.