15/04/2013 - El efecto memoria afecta también a las baterías de ion-litio

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Las baterías de litio de alto rendimiento son los dispositivos de almacenamiento de energía utilizados en muchos dispositivos electrónicos comerciales, ya que pueden almacenar una gran cantidad de energía en un volumen relativamente pequeño.

También se creía hasta ahora que no presentaban ningún efecto de memoria, así es como los expertos llaman una desviación en el voltaje de la batería que puede limitar el uso de la energía almacenada, así como la capacidad para determinar el estado de carga de la batería de forma fiable.

Científicos del PSI Paul Scherrer Institute, junto con colegas de los Laboratorios de Investigación de Toyota en Japón, han descubierto que un tipo ampliamente utilizado de la batería de iones de litio tiene un efecto de memoria. Este es un descubrimiento de especial importancia para los avances hacia el uso de baterías de litio en el mercado de vehículos eléctricos.

El trabajo fue publicado hoy en la revista científica Nature Materials.

Efecto memoria

Muchos de nuestros dispositivos de uso diario obtienen su suministro de energía de una batería, pero no siempre es un proceso tan "inteligente" como se describe en los anuncios, y a menudo cuentan con una especie de memoria. Por ejemplo, una máquina de afeitar con pilas o cepillo de dientes eléctrico que se recarga antes de que la batería se agote, más tarde puede tomar venganza sobre el usuario. La batería parece recordar que sólo han tomado parte de su capacidad de almacenamiento y, finalmente, ya no presta su energía total.

Los expertos se refieren a esto como un "efecto memoria", que se produce debido a que el voltaje de funcionamiento de la batería cae con el tiempo, debido a ciclos incompletos de carga y descarga. Esto significa que a pesar de que la batería esté siendo descargada, la tensión que suministra a veces es demasiado baja para accionar el dispositivo en cuestión.

El efecto de memoria por lo tanto tiene dos consecuencias negativas: en primer lugar, la capacidad utilizable de la batería se reduce, y en segundo lugar la correlación entre la tensión y el estado de carga se desplaza, de modo que esta última no puede ser determinado de forma fiable sobre la base de la tensión.

El efecto memoria se sabe que afecta a las baterías de níquel-cadmio y de níquel-metal hidruro. Desde que las baterías de litio comenzaron a ser comercializadas con éxito en la década de 1990, la existencia del efecto memoria en este tipo de batería había sido descartado. Incorrectamente, tal y como concluye este nuevo estudio.

Comosurge el efecto de memoria: El efecto "memoria" de la batería está "escrito" en un ciclo con una carga parcial (en este caso, 50 por ciento de la capacidad de almacenamiento de la batería), seguido de la descarga completa. En el ciclo siguiente, el efecto de memoria es evidente a través de una sobretensión, precisamente en el mismo punto en el que termina el  ciclo de carga parcial. Crédito: Nature Publishing Group

Consecuencias del efecto memoria de los vehículos eléctricos e híbridos

El efecto de memoria y su consecuente desviación de voltaje de trabajo ha sido confirmado ahora por uno de los materiales más comunes usados ​​como el electrodo positivo en baterías de iones de litio, fosfato de litio-hierro (LiFePO4).

Con el fosfato de litio-hierro, la tensión se mantiene prácticamente sin cambios en un amplio intervalo de estado de carga. Esto significa que incluso una pequeña anomalía en la tensión de funcionamiento podría ser mal interpretada como un cambio importante en el estado de carga. O, para decirlo de otra manera: cuando el estado de carga se determina a partir de la tensión de un error grande puede ser causada por una pequeña desviación de la tensión.

La existencia de un efecto de memoria es particularmente relevante en el contexto de los pasos previstos hacia el uso de baterías de litio en el sector de la movilidad eléctrica. En los coches híbridos en particular, el efecto puede producirse durante los muchos ciclos de carga / descarga que se producen durante su funcionamiento normal. En estos vehículos, la batería es parcialmente cargada durante cada operación de frenado del motor, ya que este pasa a operar en modo generador.

De la misma forma, la batería se descargada parcialmente para asistir al motor durante las fases de aceleración. Estos ciclos sucesivos de carga y descarga parcial, considerados  pequeños efectos de memoria de forma individual, si que suman un efecto de memoria de gran tamaño en su conjunto, tal y como demuestra el estudio. Esto conduce a un error en la estimación del estado de carga actual de la batería, en los casos en que se calcula el estado de carga sobre la base del valor actual de la tensión.

¿Por qué surge el efecto de memoria?

Los investigadores creen que la causa del efecto memoria es el mecanismo microscópico que está detrás de los procesos de carga y descarga.

El material del electrodo - en este caso el fosfato de litio-hierro (LiFePO4) - consta de un gran número de pequeñas partículas de tamaño micrométrico, que se cargan y descargan individualmente una después del otra. Los cambios en la cantidad de litio asociado con la carga y descarga pueden inducir un cambio en el potencial químico de las partículas individuales, lo que a su vez influye en el voltaje de la batería.

Sin embargo, la carga y descarga no son procesos lineales. Durante la carga, el potencial químico aumenta inicialmente, con la liberación progresiva de iones de litio. Pero entonces, las partículas alcanzan un crítico de litio-valor de contenido (y potencial químico). En este punto, hay una transición abrupta: las partículas de renunciar a sus iones de litio restantes muy rápidamente, pero no se les permite cambiar su potencial químico.

Esta es la transición que explica por qué la tensión de la batería se mantiene prácticamente inalterada en un amplio rango de tensión.

Más información:

Memory effect now also found in lithium-ion batteries  (Phys.org)

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