Usar cargadores diseñados para un determinado fin para aprovechar al máximo las baterías de litio-ferrofosfato

En las baterías de litio-ferrofosfato (LiFePO₄), se usa el LiFePO₄ para el cátodo de la batería, con un material de carbono de grafito con reverso metálico, que actúa como el electrodo. Esta tecnología, que fue descrita por primera vez por los investigadores de la Universidad de Texas en 1996, no es nueva. Sin embargo, la electroquímica está consiguiendo mucha atención porque ofrece algunas ventajas a diferencia de las celdas de iones de litio (Li-ion). Entre estas ventajas, se incluyen un costo menor, la ausencia de toxicidad, la conocida capacidad del fierro y una excelente estabilidad térmica. Por el contrario, el níquel y el cobalto que se utilizan en las baterías de iones de litio son difíciles de conseguir, son costosos y dañan más el ambiente.

Además, el LiFePO₄ puede someterse a muchos más ciclos de carga que las celdas de iones de litio equivalentes. Según el uso que se le dé a la batería, es posible realizar de 1,000 hasta 10,000 ciclos. Además, una batería de LiFePO₄ estándar calificada puede ofrecer una capacidad de descarga mínima de 80 por ciento (o "profundidad de descarga") durante al menos 2000 ciclos. La característica equivalente de una batería de iones de litio típica es de 300 a 500 ciclos.

Entre las demás características de las baterías de LiFePO₄, se incluye una tolerancia de carga rápida, una resistencia interna baja que les permite aceptar una corriente de descarga alta, y un voltaje de suministro notablemente estable. Además, funcionan bien a altas temperaturas.

Un ejemplo de una batería de LiFePO4 es el PSL-FP-IFP2770180EC, una batería de 3.2 voltios y 25 amperios-hora (Ah) de Power Sonic Corporation (Figura 1).

Figura 1: Una batería de LiFePO4 es menos costosa y ofrece más ciclos de carga que un equivalente de iones de litio. (Fuente de la imagen: Power Sonic Corporation)

Sin embargo, hay algunas desventajas que, hasta hace poco, han impedido que las baterías de LiFePO₄ se vuelvan populares. La clave es la densidad de energía 15 a 25 por ciento menor que la batería de iones de litio y un voltaje de salida inferior de 3.2 voltios, a comparación de las baterías de iones de litio, que tienen 3.7 voltios. Además, las baterías de LiFePO₄ no funcionan bien a bajas temperaturas y, por lo general, requieren más cuidado y protección que las celdas de iones de litio más resistentes.

Mejoras en la densidad de energía de LiFePO₄

Las mejoras recientes de la densidad de energía han permitido que las baterías de LiFePO₄ puedan aplicarse más a una amplia gama de dispositivos. Si bien es poco probable que se reemplacen las baterías de iones de litio en productos como teléfonos celulares o computadoras portátiles, en aplicaciones con más espacio o donde el bajo costo y la capacidad de reciclaje más fácil son importantes, pueden considerarse una buena opción. Algunos ejemplos son las bicicletas eléctricas (e-bikes) y algunos modelos de vehículos eléctricos (VE). Por ejemplo, Tesla anunció a finales de 2021 que cambiaría a las baterías de LiFePO₄ para sus vehículos de nivel inicial. Las baterías de la compañía ofrecen alrededor de 260 watt-hora por kilogramo (Wh/kg), lo que está a la par de las mejores celdas de iones de litio.

Figura 2: Ahora el modelo 3 de Tesla aprovecha las baterías de LiFePO4. (Fuente de la imagen: Tesla)

Cada vez más, los diseñadores consideran las baterías de LiFePO₄ en aplicaciones donde su bajo costo, su larga vida útil y sus características eléctricas benignas son más importantes que la densidad de energía alta. Algunos ejemplos son los dispositivos controlados por radio, los productos portátiles impulsados por un motor y, notablemente, los sensores de Internet industrial de las cosas (IIoT).

Puesto que solo un grupo selecto de ingenieros está involucrado en el diseño de productos exóticos como los VE, es en estas aplicaciones más modestas en las que es más probable que encuentre fuentes de energía de LiFePO₄ .

Manipular con cuidado

La batería de iones de litio y la de LiFePO₄ comparten ciertas similitudes. Por ejemplo, la energía proviene del movimiento de los iones de litio, que liberan electrones para crear una corriente eléctrica y alimentar un dispositivo. Sin embargo, una diferencia importante es la forma en la que se cargan las baterías. Las baterías de LiFePO₄ tienen diferentes características eléctricas a las de las baterías de iones de litio, lo que altera el perfil de carga. La variación es sutil pero es importante entenderla, para aprovechar el máximo potencial de las baterías de LiFePO₄.

Las figuras 3 y 4, cortesía de Texas Instruments, muestran la diferencia entre el perfil de carga de las baterías de iones de litio típicas y el de las baterías de LiFePO₄. El algoritmo de carga de las baterías de LiFePO₄ (Figura 4) no requiere el modo de voltaje constante (CV) típico del ciclo de carga de las baterías de iones de litio (Figura 3). En lugar de ello, la batería se carga rápidamente con una corriente constante de carga rápida (CC) a un voltaje de sobrecarga y, luego, se le permite "relajarse" hasta un umbral de voltaje de carga de flotación inferior. La extracción del control de CV reduce el tiempo de carga de forma significativa. Durante el ciclo de carga, un bucle de control interno suele monitorear la temperatura de unión de los circuitos integrados de gestión de energía (PMIC) y reduce la corriente de carga si se supera su umbral de temperatura.

Figura 3: La carga de baterías de iones de litio sigue tres fases distintas. En primer lugar, la batería se carga con una corriente constante modesta para precargar, seguida por una carga constante superior para agregar energía rápidamente. Por último, cuando el voltaje de carga coincide con la salida de la batería, el perfil cambia a un voltaje constante para llenar lentamente la batería hasta su máxima capacidad. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Figura 4: La carga de la batería de LiFePO4 es diferente a la de la batería de iones de litio. Después de la precarga, se carga la batería hasta su máxima capacidad con una corriente constante. Primero, se permite al voltaje "relajarse" y, luego, flotar usando una pequeña carga de llenado. A comparación del ciclo de la batería de iones de litio, la carga de las baterías de LiFePO4 es más rápida. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Otra diferencia entre los perfiles de carga es el voltaje de carga máximo más bajo de la batería de LiFePO₄ debido a la diferencia en la química de las baterías. El voltaje de carga máximo para la batería de LiFePO₄ tiene un límite máximo a una sobretensión de 3.6 voltios antes de volver a 3.5 voltios, mientras que la batería de iones de litio se limita a 4.1 o 4.2 voltios.

Cargadores compactos para las baterías de LiFePO₄

El mayor uso de LiFePO₄ ha animado a las compañías de chips a introducir circuitos integrados (IC) monolíticos exclusivos para cargar las celdas usando un perfil optimizado. Esto permite incorporar la tecnología sin tener que diseñar un circuito de gestión de energía desde cero.

Un ejemplo es el PMIC BQ25070DQCR LiFePO₄ de Texas Instruments. El dispositivo viene con un paquete de 2 x 3 milímetros (mm), suministra un voltaje de sobretensión de 3.7 voltios y un voltaje de flotación de 3.5 voltios en hasta 1.2 A.

Un segundo ejemplo es el MCP73123T-22SI/MF de Microchip Technology. El dispositivo funciona con una entrada de 4 a 16 voltios y ofrece una corriente de carga máxima de 1.1 A. El valor de CC de carga rápida se establece con una resistencia externa de 130 miliamperios (Ma) hasta el límite superior, dependiendo de la batería que se está cargando. El MCP73123/223 también limita la corriente de carga según la temperatura de la pastilla en condiciones de temperatura ambiente alta o alta energía (Figura 5).

Figura 5: Esquema del PMIC de LiFePO4 de Microchip Technology La resistencia conectada al pin PROG establece la corriente de carga máxima. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Analog Devicesofrece una tercera solución. El PMIC MAX77787JEWX+ funciona a partir de un voltaje de entrada de 4.5 a 13.4 voltios y tiene una corriente de carga máxima de 3.15 A. La corriente de carga rápida y el voltaje de terminación se configuran con resistencias externas. El dispositivo de 2.75 x 2.75 mm es compatible con la carga de baterías de LiFePO₄ e iones de litio.

Conclusión

A pesar de las desventajas de densidad de energía y voltaje de suministro con respecto a las baterías de iones de litio, las baterías de LiFePO₄ ofrecen más ciclos de carga y ventajas de carga rápida. Además, se ajustan a muchas aplicaciones dependientes del costo, incluidos los VE y los sensores de IIoT. Los cargadores monolíticos diseñados para un determinado fin facilitan el uso de la química de la batería, con la tranquilidad de que los perfiles de carga optimizados garantizarán una vida larga y confiabilidad.