Los condensadores de iones de litio pueden ayudarlo a proporcionar energía de alta calidad en entornos difíciles

Si ha trabajado en soluciones de energía distribuida utilizando baterías recargables o supercondensadores eléctricos de doble capa (EDLC), ya está familiarizado con sus limitaciones. Las baterías tienen compensaciones relacionadas con el desempeño ambiental, el tamaño del sistema y la seguridad, que aumentan los costos y disminuyen su efectividad. Los EDLC pueden abordar algunos de estos problemas, pero simplemente no tienen la capacidad de energía necesaria para muchas aplicaciones.

Para abordar estas limitaciones, puede recurrir a los condensadores de iones de litio (LIC), también llamados supercondensadores híbridos. Si aún no está familiarizado con ellos, los LIC son dispositivos asimétricos que combinan dos tecnologías diferentes; el cátodo es como un supercondensador y el ánodo es similar a una batería de iones de litio (Figura 1). Su estructura asimétrica hace que los LIC sean adecuados para aplicaciones de calidad de energía que pueden beneficiarse de altas densidades de energía, altas densidades de potencia, robustez ambiental y durabilidad.

Figura 1: Los LIC combinan dos tecnologías diferentes en una estructura asimétrica; el ánodo es similar a una batería de iones de litio y el cátodo es como un supercondensador (fuente de la imagen: Eaton).

Los LIC pueden proporcionar energía de respaldo y protección contra caídas de voltaje durante los picos de consumo de energía. En sistemas industriales, como plantas químicas y fabricación de semiconductores, hasta una breve interrupción en la calidad de la energía puede generar costosos tiempos de inactividad. Las caídas de tensión y los cortes de energía pueden interrumpir el funcionamiento de las memorias caché, los sistemas RAID y los servidores de almacenamiento en los centros de datos.

Consideremos tres ejemplos de LIC adecuados para su uso en aplicaciones de protección de la calidad de la energía en el borde, uno de Eaton, uno de Taiyo Yuden y uno de Tecate Group, y luego cerremos con un breve vistazo a algunas consideraciones de diseño que debe tener en cuenta al usar LIC.

LIC clasificados para funcionar hasta -25  C

Muchos LIC tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -15 a +70 °C, pero si su aplicación necesita funcionar en un ambiente más frío, Eaton ofrece el HSL1016-3R8306-R, un LIC de 30 faradios (F) que está especificado para funcionar hasta -25 °C (Figura 2). Este LIC está clasificado para más de 250,000 ciclos de carga a una temperatura ambiente de 20 °C y tiene una vida útil sin mantenimiento de hasta 20 años. Ofrece hasta ocho veces la densidad de energía de los supercondensadores estándar.

Figura 2: El HSL1016-3R8306-R es un LIC de 30 F que funciona hasta -25 °C y está clasificado para más de 250,000 ciclos de carga a una temperatura ambiente de 20 °C (fuente de la imagen: Eaton).

LIC para funcionamiento a alta temperatura

El LIC LIC1840RH3R8107 de 100 F de Taiyo Yuden atiende las necesidades de los entornos industriales y exteriores calientes, y está clasificado para funcionar hasta 85 °C con una resistencia equivalente en serie (ESR) de 75 miliohmios (mΩ) (Figura 3). Este LIC tiene un rango de voltaje de funcionamiento de 2.2 a 3.8 voltios a 85 °C y un rango de voltaje de 2.5 a 3.5 voltios a 105 °C, lo que lo hace adecuado para su uso a altas temperaturas. Estos LIC presentan tasas de degradación de capacitancia más bajas y cambios de resistencia interna mejorados cuando se usan a temperaturas elevadas.

Figura 3: El LIC1840RH3R8107 es un LIC de alta temperatura que maneja 3.8 voltios hasta 85 °C. (Fuente de la imagen: Taiyo Yuden)

450 F para aplicaciones de alta energía

Si está diseñando una aplicación que puede beneficiarse de una alta densidad de energía, el TPLC-3R8/450MR18X40 de 450 F de Tecate Group puede ser justo lo que necesita, ya que es el dispositivo más grande de la familia de 18 LIC de la empresa (Figura 4). El dispositivo está clasificado para entregar 2.25 amperios (A) de corriente continua con una clasificación máxima de 14.1 A. Mide 18 milímetros (mm) de diámetro x 40 mm de alto y pesa 18 gramos (g). El TPLC-3R8/450MR18X40 tiene una vida útil proyectada de 500,000 ciclos y una clasificación de resistencia de 1,000 horas cuando se opera a su voltaje nominal y temperatura máxima de funcionamiento.

Figura 4: El TPLC-3R8/450MR18X40 de 450 F (fila trasera, centro) es el LIC de mayor capacidad en la serie TPLC de Tecate Group (fuente de la imagen: Tecate Group).

Diseños con LIC

Al igual que otros supercondensadores, los LIC tienen voltajes que varían linealmente en función de su estado de carga. En aplicaciones que necesitan un voltaje de funcionamiento estable de una sola celda, se necesita un convertidor elevador de voltaje. Los diseños que utilizan varios LIC conectados en serie a menudo pueden beneficiarse de un convertidor reductor para estabilizar el voltaje.

A diferencia de otros supercondensadores que se pueden descargar a cero voltios, los LIC generalmente se limitan a un voltaje de descarga mínimo de 2.2 voltios para evitar daños, lo que requiere un sistema de administración de celdas (CMS) para un funcionamiento confiable. El CMS deja de descargar los LIC a aproximadamente 2.2 voltios y mantiene los voltajes de celda igualados en diseños con varias celdas en serie. Mientras que los EDLC estándar normalmente se descargan en aproximadamente 30 segundos, los LIC se descargan en unos pocos minutos; una distinción importante en soluciones de calidad de energía en el borde.

La vida útil de un LIC está directamente relacionada con el voltaje aplicado y la temperatura de funcionamiento. Las temperaturas más altas y los voltajes de funcionamiento más altos reducen la vida útil del LIC. El parámetro principal para maximizar la vida útil es reducir el voltaje de funcionamiento, lo que se puede lograr al colocar varias celdas en serie.

Conclusión

Los LIC brindan una excelente tercera opción al diseñar soluciones de calidad de energía distribuida para entornos hostiles. Sus estructuras híbridas combinan aspectos de las baterías de iones de litio y los EDLC en un solo dispositivo. Ofrecen ciclos de vida prolongados y altas densidades de energía, y su descarga prolongada durante unos minutos en lugar de segundos puede ser una distinción importante en las soluciones de calidad de energía en el borde. Los LIC pueden producir soluciones más pequeñas, resistentes y seguras. Por supuesto, se necesitan buenas prácticas de diseño de sistemas para obtener su máximo beneficio.