Obtenga una duración más prolongada de la batería con la composición química de litio adecuada

La duración prolongada de las baterías es importante en aplicaciones como el IoT (Internet de las cosas), los WSN (nodos de sensores inalámbricos), los medidores inteligentes, las herramientas eléctricas, los dispositivos médicos portátiles y la iluminación de led manual. Cada vez más, la clave para una duración prolongada es elegir la composición química de litio (Li) para las baterías, pero ¿cuál? Los principales compuestos químicos, como el disulfuro de litio-hierro (Li/FeS₂), el dióxido de litio-manganeso (LiMnO₂) y el cloruro de litio-tionilo (Li-SOCl₂), pueden ofrecer una duración de varios años para las baterías, pero se adaptan a diferentes aplicaciones. Además, la duración de las baterías no solo depende de la composición química; también se relaciona con la construcción de la batería, los patrones de consumo de energía, etc.

La mejor opción depende de la aplicación: ¿Necesita su aplicación una duración prolongada? ¿Necesita tasas de descarga bajas durante un periodo extenso? ¿Necesita tasas de descarga altas luego de periodos de inactividad largos? Las respuestas a estas preguntas, entre otras, le ayudarán a determinar qué batería debe elegir para obtener una duración prolongada.

Consideremos las compensaciones entre las tasas de descarga continua y por pulso, la densidad de energía, la temperatura de funcionamiento y los detalles de construcción utilizando ejemplos de baterías reales de Energizer, Zeus Battery Products, Jauch Quartz y Tadiran.

Li/FeS₂ para tasas de descarga altas y duración prolongada

Las baterías Ultimate Lithium de Energizer se diferencian de las baterías alcalinas de la empresa por su composición química y construcción. La composición química de Li/FeS₂ ofrece una buena capacidad y, combinada con su construcción en espiral que cubre 20 veces más superficie que una pila alcalina convencional, estas baterías tienen mayor capacidad y pueden soportar tasas de descarga altas (Figura 1).

Figura 1: Perfiles de descarga de la L92 de Li/FeS2 AAA a tres tasas de descarga diferentes (izquierda) y capacidad frente a la corriente de drenaje de L92 en comparación con una pila alcalina convencional (derecha). (Fuente de imagen: Energizer)

Por ejemplo, la pila L92 AAA de 1.5 voltios tiene una capacidad nominal de 1.2 amperios hora (Ah), soporta una tasa de descarga continua máxima de 1.5 A, y puede emitir pulsos de hasta 2.0 A durante 2 segundos (s). La L92 tiene una vida útil de 20 años a 21 ºC y tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a +60 ºC. Esta combinación de especificaciones hace que estas baterías sean útiles en aplicaciones de alto consumo, como controladores de juegos, unidades GPS (sistema de posicionamiento global), linternas de led, juguetes motorizados y por control remoto, y niveladores de láser.

LiMnO₂ para potencia de baja a moderada

Si su diseño necesitará corrientes moderadamente altas después de largos periodos de inactividad, las baterías de LiMnO₂ pueden ser su mejor opción. Dichas aplicaciones incluyen controles de acceso, transmisores de localización de emergencia, sonoboyas, monitores de entornos peligrosos y dispositivos de seguimiento de RFID (identificación por radiofrecuencia). Incluso después de largos periodos de inactividad, suministran pulsos de corriente instantáneos porque los electrodos de estas pilas no forman una capa pasivada.

Las baterías de LiMnO₂ pueden suministrar 3.0 voltios con una curva de descarga bastante plana y pueden soportar pulsos de corriente moderados (Figura 2). Por ejemplo, la batería CR-2 de LiMnO₂ de Zeus tiene una capacidad de 800 miliamperios (mA), una tasa de autodescarga inferior al 3% anual a 20 ºC, y puede soportar cargas de pulsos de 900 mA durante 3 s. Como las pilas Ultimate Lithium de Li/FeS₂ de Energizer, estas baterías de LiMnO₂ tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a +60 ºC.

Figura 2: Las pilas de LiMnO2 tienen una curva de descarga más plana en comparación con las pilas de Li/FeS2 y pueden suministrar corrientes bajas o moderadas durante periodos prolongados. (Fuente de imagen: Zeus Battery Products)

Li-SOCl₂ para densidad de energía alta y potencia larga/baja

A diferencia de las baterías de LiMnO₂, las pilas de Li/SOCl₂ forman una capa pasivada que genera una autodescarga muy baja. Esto les permite estar inactivas durante largos periodos con una pérdida mínima de la capacidad de la pila. Sin embargo, la pasivación también impide el flujo de corriente cuando la batería se descarga inicialmente y limita, así, la capacidad de potencia máxima inmediata. La capa pasivada desaparece en caso de una descarga continua, pero cambia si la batería vuelve a estar inactiva.

Las implicaciones para su diseño son que las baterías de Li/SOCl₂ son especialmente adecuadas para aplicaciones de potencia baja y funcionamiento continuo, como los sensores inalámbricos de IoT, los medidores de servicios públicos, los dispositivos de seguridad inalámbricos y los sistemas de seguimiento.

Las baterías de Li-SOCl₂ están disponibles con construcciones en espiral o en bobina. Las pilas de tipo bobina suministran densidades de energía considerablemente más altas y a veces se denominan "pilas de energía". Las pilas enrolladas en espiral suministran mayores índices de corriente continua y máxima y se denominan "pilas de potencia". Ambos tipos ofrecen una salida nominal de 3.6 voltios y tienen curvas de descarga planas (Figura 3).

Figura 3: Las baterías de Li/SOCl2 tienen una curva de descarga más plana que las de LiMnO2 y Li-SOCl2, lo que las hace especialmente adecuadas para aplicaciones de potencia baja y funcionamiento continuo. (Fuente de imagen: Jauch)

Las pilas de bobina pueden suministrar densidades de energía de hasta 710 vatios hora por kilogramo (Wh/kg). Algunos ejemplos de baterías de bobina de Li-SOCI₂ son la ER14250J-S 1/2AA de Jauch con una capacidad de 1.2 Ah y un rango de temperatura de funcionamiento de -60 a +85 ºC y la TL-5903/T AA de Tadiran con una capacidad de 2.4 Ah y un rango de temperatura de funcionamiento de -55 a +85 ºC.

Conclusión

De las tres composiciones químicas consideradas aquí, la Li/FeS₂ puede soportar las mayores tasas de descarga y corrientes de pulso, pero con su voltaje de funcionamiento de 1.5 voltios, tiene una menor densidad de energía. En el otro extremo del espectro, las de Li/SOCl₂ son adecuadas para suministrar niveles de potencia bajos a largo plazo y ofrecen la mayor densidad de energía. Las baterías de LiMnO₂ son intermedias en cuanto a la densidad de energía y son adecuadas para aplicaciones que necesitan niveles de potencia de bajos a moderados durante largos periodos y que regularmente necesitan impulsos inmediatos de energía.

Por supuesto, hay mucho más que considerar para lograr una duración prolongada de la batería en una aplicación, pero echar un vistazo a los diferenciadores clave de los distintos tipos de composición química de Li más populares es un buen punto de partida.