Bateries de plom-àcid i bateries d'ions de liti

Explorem les diferències entre les bateries d’ions de liti i les bateries d’àcids de plom. Tant les bateries de plom-àcid com les bateries d’ions de liti són fonts d’energia de còpia de seguretat molt habituals. Quan escolliu quina bateria és millor per a l’aplicació del dispositiu, heu de tenir en compte diversos factors com ara la tensió, la capacitat, el nombre de cicles, etc., a causa de les diferents característiques de les dues bateries.

Química i estructura
Bateries d'ions de liti
El principi de treball de les bateries d’ions de liti es basa en la reacció electroquímica reversible entre dos elèctrodes (ànode i càtode) en un electròlit. Els materials d’elèctrodes utilitzats en les bateries d’ions de liti solen ser compostos de liti (per exemple, òxid de cobalt de liti, fosfat de ferro de liti, etc.), i l’electròlit és un electròlit no aquós (un dissolvent orgànic que conté sals de liti). Els elèctrodes solen ser capes primes sobre un substrat conductor, cosa que permet una gran densitat d’energia.

Diagrama esquemàtic de la bateria de liti Reactions Schematic de reacció de la bateria de liti
L’elèctrode negatiu sol ser de grafit. L’ànode d’una bateria d’ions de liti emmagatzema ions de liti (Li⁺) durant la càrrega i els ions de liti es desplacen de l’ànode al càtode durant la descàrrega. L’elèctrode positiu també sol ser de grafit. El càtode en una bateria d’ions de liti emmagatzema ions de liti (Li⁺) durant la càrrega i els ions de liti es desplacen de l’ànode al càtode durant la descàrrega.

Durant la càrrega, els ions de liti es desplacen del càtode a través de l'electròlit i s'intercala (incrustat) al material de l'ànode. Durant la descàrrega, el procés inverteix: els ions de liti es desplacen de l’ànode a través de l’electròlit al càtode. Mentre que els ions de liti migren a través de l’electròlit, els electrons flueixen a través d’un circuit extern, creant un corrent elèctric que pugui alimentar dispositius.

Bateries de plom-àcid
El principi de funcionament de les bateries de plom-àcid implica una reacció electroquímica entre els elèctrodes de diòxid de plom en un electròlit d’àcid sulfúric, proporcionant una font d’energia elèctrica fiable. A causa de les característiques de la química basada en el plom, les bateries de plom-àcid tenen elèctrodes gruixuts i voluminosos.

Diagrama esquemàtic de la bateria de plom-àcid Esquema esquemàtic de la reacció de la bateria de plom-àcid
Densitat energètica
Les bateries d’ions de liti generalment tenen una densitat d’energia més elevada que les bateries de plom-àcid. Això significa que pot emmagatzemar més energia per volum o pes, fent -los més lleugers i compactes per a la mateixa capacitat energètica.

La densitat d’energia volumètrica de les bateries d’ions de liti és significativament superior a la de les bateries de plom-àcid. Això significa que les bateries d’ions de liti poden emmagatzemar més energia per volum d’unitat, permetent paquets de bateries més petites i compactes.

La densitat d’energia de les bateries de plom-àcid és inferior a la de les bateries d’ions de liti, donant lloc a bateries més grans i pesades per a la mateixa capacitat d’emmagatzematge d’energia.

Així mateix, les bateries d’ions de liti tenen una densitat d’energia gravimètrica més elevada que les bateries d’àcid de plom. D’aquesta manera es produeix un paquet de bateries més lleuger per a una capacitat d’energia determinada, fonamental en les aplicacions on el pes és una preocupació, com ara vehicles elèctrics.

Vida en bicicleta
La vida cicle d’una bateria fa referència al nombre de cicles de càrrega i descàrrega que pot patir abans que la seva capacitat caigui a un nivell especificat.

Les bateries d’ions de liti solen tenir una vida cicle més llarga que les bateries de plom-àcid. Segons la química i les condicions específiques d’ús, les bateries d’ions de liti poden suportar centenars a milers de cicles de càrrega i descàrrega.

Les bateries de plom-àcid, tot i que són accidentades, normalment tenen una vida de cicle més curta, sobretot quan se sotmeten a descàrrega profunda.

Les bateries d’ions de liti són adequades per a aplicacions que requereixen una vida de cicle llarg, alta densitat d’energia i pes lleuger, com ara vehicles elèctrics, electrònica portàtil i emmagatzematge d’energia. Les bateries de plom-àcid continuen sent competitives en aplicacions on la rendibilitat, la fiabilitat i una infraestructura de reciclatge existent són crítics, com ara les bateries inicials de l’automoció i els sistemes de còpia de seguretat d’energia estàtica.

Percentatge de càrregues
La taxa de descàrrega de la bateria es refereix a la velocitat en què allibera energia emmagatzemada, generalment mesurada com a velocitat C.

Les bateries d’ions de liti són capaces d’altes taxes de descàrrega, normalment oscil·lant d’1C a 2C o superior, segons la química i el disseny. Fins i tot a altes taxes de descàrrega, la tensió i la capacitat de les bateries d’ions de liti es mantenen relativament estables, cosa que és important per a aplicacions que requereixen una potència d’alta potència instantània o una producció d’alta potència sostinguda.

Les bateries de plom-àcid generalment no són adequades per a aplicacions d’alta taxa de descàrrega. Les taxes de descàrrega comunes de les bateries de plom-àcid van des de 0. 0 5c a 0. 2C, depenent del tipus (com ara bateries de plom-àcid, AGM o gel). Algunes bateries AGM (manta de vidre absorbida) o bateries d’àcid de plom d’alt rendiment poden gestionar taxes de descàrrega moderades fins a 0,5 ºC o lleugerament superiors.

A la taxa de descàrrega elevada, les bateries de plom-àcid poden experimentar la caiguda de la tensió i la reducció de la capacitat, mentre que les bateries d’ions de liti tenen una taxa de descàrrega estable, que disminueix gradualment fins al 60% per a les bateries de plom-àcid. Aquesta limitació fa que les bateries de plom-àcid siguin menys adequades per a aplicacions que requereixin un alliberament d’energia ràpida o requisits d’alta potència.

Les bateries de plom-àcid s’adapten millor a les aplicacions que requereixen taxes de descàrrega moderades, com ara bateries d’inici de l’automoció, sistemes d’energia de còpia de seguretat i aplicacions estàtiques. A causa de la caiguda de tensió i l'eficiència reduïda a taxes de descàrrega elevades, són menys efectives en aplicacions que requereixen descàrrega ràpida.

Les bateries d’ions de liti són superiors a les bateries de plom-àcid a taxes elevades de descàrrega. Poden oferir una potència important de manera ràpida i eficaç i són adequats per a aplicacions que requereixen un gran augment de potència, com ara vehicles elèctrics, eines elèctriques i alguns equips industrials.

Tensió de descàrrega
Les bateries d’ions de liti mantenen una tensió relativament estable per a la major part del cicle de descàrrega, fins a prop del final de la capacitat. Això els fa adequats per a aplicacions que requereixen tensió estable i un rendiment consistent.

Les bateries de plom-àcid tenen una tensió nominal inferior per cèl·lula que les bateries d’ions de liti. Durant la descàrrega, la seva tensió disminueix gradualment, sobretot a prop del final de la capacitat. Aquesta característica és habitual en les aplicacions on el rang de tensió de la bateria i les característiques de descàrrega són factors clau.

En aplicacions pràctiques, comprendre aquestes característiques de tensió pot ajudar a seleccionar el tipus de bateria adequat en funció dels requisits de tensió, les necessitats de característiques de descàrrega i les expectatives generals de rendiment.

Característiques de càrrega
Les bateries d’ions de liti es poden carregar ràpidament i alguns tipus de bateries d’ions de liti són capaces de carregar ràpidament sense danys importants. També tenen una taxa d’auto-descàrrega inferior a les bateries de plom-àcid.

Les bateries de plom-àcid generalment es carreguen més lentament que les bateries d’ions de liti, sobretot quan es troba a la càrrega completa. La càrrega ràpida pot causar calefacció i requereix un seguiment minuciós.

Per exemple, una bateria de liti de 3 0 00 Milliamp (MAH) carregada a 1500 mil·límetres (1.5a) trigaria teòricament unes dues hores a carregar-se completament (suposant una taxa de càrrega 1C). Una bateria 12- volt-àcid de plom amb una capacitat de 100 amperies (AH) trigarien unes 10 hores a carregar-se completament a una velocitat de càrrega de 10 amperis (aproximadament 0,1C).

Efectes de temperatura
Les bateries d’ions de liti funcionen millor en temperatures que van des de 0 grau fins a 45 graus (32 graus F a 113 graus F). Les bateries de plom-àcid són més tolerants als extrems de temperatura que les bateries d’ions de liti. Poden operar eficaçment en el rang de -20 grau fins a 50 graus (-4 grau F a 122 graus f).

Les bateries d’ions de liti són més sensibles als extrems de temperatura i requereixen una gestió tèrmica acurada per garantir la seguretat i el rendiment òptim. Les temperatures fredes (a sota 0 grau) poden reduir temporalment la capacitat i la potència de la bateria. Les temperatures extremadament baixes poden fer que la bateria es faci lenta i la càrrega o la descàrrega a temperatures molt baixes pot causar danys irreversibles.

Les bateries de plom-àcid tenen un rang de temperatura de funcionament més ampli i són capaços de suportar les temperatures altes i baixes. Tot i que les bateries de plom-àcid són capaços de suportar les temperatures altes, el sobreescalfament encara pot accelerar l’envelliment de la bateria i augmentar la pèrdua d’aigua.

Els dos tipus de bateries requereixen monitorització i adherència a les directrius de temperatura per assegurar un funcionament segur i una vida estesa.

Aplicacions i usos
Les bateries d’ions de liti s’utilitzen àmpliament en dispositius electrònics portàtils, vehicles elèctrics i sistemes d’emmagatzematge d’energia a causa de la seva alta densitat d’energia, que requereixen maximitzar l’energia per unitat o pes.

Les bateries d’ions de liti s’utilitzen habitualment en dispositius electrònics portàtils (per exemple, ordinadors portàtils, telèfons intel·ligents), vehicles elèctrics (EV) i sistemes d’emmagatzematge d’energia renovables a causa de la seva alta densitat d’energia i de baix pes.

Les bateries de plom-àcid s’utilitzen tradicionalment en les bateries inicials d’automòbils, sistemes d’energia de còpia de seguretat (UPS) i aplicacions industrials (per exemple, carretons elevadors, carros de golf) a causa de la seva durabilitat, baix cost i idoneïtat per a una producció elevada de corrent. Malgrat la seva menor densitat energètica, les bateries de plom-àcid són competitives en aplicacions on la rendibilitat, la durabilitat i una infraestructura de reciclatge i eliminació existents tenen prioritat sobre el pes i el volum.

Manteniment
Les bateries d’ions de liti generalment requereixen menys manteniment que les bateries de plom-àcid. No requereixen xecs d’electròlits ni càrrecs d’equiparació periòdics. Les bateries d’ions de liti són generalment més fàcils d’instal·lar a causa del seu pes lleuger, la mida compacta i el muntatge flexible. Necessiten menys suport estructural i tenen requisits de ventilació més baixos que les bateries de plom-àcid.

Les bateries de plom-àcid requereixen un manteniment periòdic, com ara comprovar els nivells d’electròlits, la gravetat específica i assegurar una càrrega adequada per evitar la sulfació. A causa del seu pes pesat i l'alliberament de gasos durant la càrrega, les bateries de plom-àcid requereixen una estructura de muntatge robusta i una ventilació adequada. A més, requereixen visites específiques de manteniment per a inspeccions i serveis periòdics.

Sumari
A l’hora d’escollir entre les bateries d’ions de liti i l’àcid de plom, considereu les necessitats específiques d’aplicació, inclosos els requisits d’energia, les restriccions espacials, les consideracions de costos i els factors ambientals. Cada tipus de bateria té avantatges únics que el fan adequat per a diferents indústries i aplicacions.