Capacidad de la batería de iones de litio: análisis de descarga

Desarmé un módulo de batería que consta de celdas A123 Systems ANR26650-M1A (técnicamente son celdas de litio-hierro-fosfato (LiFeo4)) que se usaron en un entorno comercialmente controlado. Después de cargarlos usando un banco de laboratorio variable a los 3.6 voltios especificados, a un amperaje bajo, por debajo de 0.5C, noté una caída continua en el voltaje al medir con un multímetro.

Inicialmente, cada celda leerá el voltaje al que se cargó, pero durante un período de tiempo de aproximadamente 6 horas, las lecturas de voltaje caen gradualmente y se estabilizan. Encontré esto peculiar, ya que todas las baterías estaban haciendo esto y estabilizando varios voltajes.

Más tarde realicé pruebas de descarga con un analizador de batería y he documentado que las lecturas de voltaje se estabilizan en el porcentaje exacto de la capacidad restante. Por ejemplo, en este caso, con una calificación nominal de 3.3v, se supone que debe cargarse a 3.6v. Después de realizar una prueba de descarga, el análisis concluirá que hay 2,202 Ah, de un potencial de 2,3 Ah, lo que da como resultado una capacidad del 95,8%. Curiosamente, el 95,8% de 3,6v es ~3,49v, que es el voltaje exacto al que se estabilizó esta celda en particular. He tenido resultados idénticos con más de 20 células ahora.

Además, si tomo exactamente la misma celda y realizo un análisis, casi de inmediato (en cuestión de minutos), obtengo lecturas de capacidad idénticas a cuando dejo que el voltaje se estabilice, digamos 6 horas después.

En conclusión, parece que se pueden hacer dos inferencias.

  1. Después de que una batería está completamente cargada, el voltaje al que se estabiliza (a temperatura ambiente ~70F) tiene una correlación directa con su capacidad. Si tuviera que derivar una fórmula, sería:

    Carga_completa_estabilizada [V] Carga_completa_máxima [V] = Capacidad (Ah) [%]
    .

  2. En relación con una curva de descarga típica de LiFeo4, la capacidad perdida de la batería solo es relevante para los voltajes de descarga iniciales. A menos que el porcentaje de capacidad caiga por debajo del rango de tolerancia nominal, el voltaje nominal no se ve afectado. Es como tomar una imagen de la curva de descarga y recortar una parte de ella, comenzando desde el punto inicial de la prueba.

Mi pregunta en general es esta; ¿esto es normal? ¿Alguien más ha documentado esto también?

Respuestas (2)

Sí, es normal que el voltaje de reposo caiga por debajo del voltaje de carga.

Al cargar una celda de litio-hierro-fosfato, el voltaje aumentará gradualmente a medida que aumenta la carga almacenada, luego subirá rápidamente a 3,6 V y más cuando alcance la carga completa. Este rápido aumento de voltaje es el resultado de que la batería se está quedando sin lugares para almacenar carga y no se sostendrá cuando esté en reposo.

En un paquete en serie, una celda puede alcanzar la carga completa antes que las demás, y luego su voltaje puede aumentar a más de 4 V antes de que la batería alcance el voltaje máximo. Para evitar esto, debe colocar un circuito 'equilibrador' en cada celda para desviar la corriente cuando la celda alcanza los 3,6 V. Cuando todas las celdas alcancen los 3,6 V, puede detener la carga porque el paquete estará casi lleno. Alternativamente, puede reducir gradualmente la corriente de carga a cero mientras se mantiene en el voltaje máximo, lo que podría obtener un 10% adicional más o menos en la batería.

En el gráfico de ejemplo a continuación, la línea verde es la corriente de carga, la línea roja es el voltaje en la celda y la línea azul es la carga absorbida. Puede ver que se acepta muy poca carga después de alcanzar los 3,6 V, y el voltaje de reposo pronto cae a 3,4 V después de eliminar la corriente de carga.

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Puedo confirmar a partir de mis pruebas prácticas de más de 1000 celdas Li-Ion y Li-IP recicladas que el voltaje al que se estabilizan tiene una correlación directa con su capacidad . En cuanto a la fórmula que mencionó, para ser más relevante, necesitaría un factor de corrección (el intervalo entre los valores considerados completamente cargados y descargados, ejemplo: 3.3-4.2V).

Para Li-ion, la caída también puede ocurrir después de bastante tiempo, pero sigue siendo relevante. Descubrí que las celdas que se estabilizan por encima de 4,15 V tienen una capacidad casi total, las que se estabilizan alrededor de 4 V tienen una capacidad reducida y las que caen a 3,7 V o menos están en muy mal estado (llegando a una calidad inutilizable a 3,3 V).

Agradezco el aporte con respecto a ajustar la fórmula al considerar la relación entre el intervalo completamente cargado y descargado. Estoy graficando las curvas de un puñado de celdas entre su estado completamente cargado y el estado cargado 'estabilizado' en relación con el tiempo transcurrido para, con suerte, extraer un factor de corrección. Informaré de mis hallazgos lo suficientemente pronto.
También me gustaría hacer más pruebas (tengo muchas celdas en stock), pero por el momento no tengo una herramienta para probar, de una manera fácil, la capacidad exacta. Publicaré los resultados exactos tan pronto como vuelva a tener una forma precisa de probar la capacidad de la celda.
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