¿Cuándo usar qué batería? Iones de litio frente a AGM

En todos los mercados, durante los últimos años, las baterías de iones de litio han ido ganando terreno. Para los no iniciados, es fácil descartar los iones de litio como una alternativa costosa a las tecnologías VRLA (ácido de plomo regulado por válvula), como AGM (esterilla de vidrio absorbido), si simplemente se observa la clasificación de amperios-hora (Ah). Este fue el error inicial que cometí hace unos años. Al profundizar más, me quedó claro que hay mucho más que las clasificaciones Ah a considerar al elegir las mejores baterías para su aplicación.

En las comparaciones siguientes, aunque se muestran baterías de gel, tienen una capacidad efectiva menor con corrientes de descarga altas. Cuestan aproximadamente lo mismo que los AGM, asumiendo que ambos tipos son monobloques, a diferencia de las celdas de gel de larga duración de 2 V. Las baterías de celda húmeda o de plomo ácido inundado (FLA), aunque se mencionan, no se consideran en el centro de esta comparación en particular, principalmente debido a consideraciones de mantenimiento y seguridad en el entorno marino. Por supuesto, esto puede no aplicarse a otros mercados.

Energía utilizable y costo

Generalmente se acepta que la profundidad de descarga (DOD) más económica y práctica para una batería AGM es del 50%. Para el fosfato de hierro y litio (LiFePO4 o LFP), que es el tipo de batería de iones de litio más seguro, se utiliza un 80 % de DOD.

¿Cómo funciona esto en el mundo real? Tomemos dos ejemplos de baterías de 24 V y comparemos la energía utilizable para un yate pequeño:
1 x Litio-ion 24 V 180 Ah

El voltaje nominal de la celda LFP es 3,3 V. Esta batería LFP de 26,4 V consta de 8 celdas conectadas en serie con un 180 Ah calificación. La energía disponible es 26,4 x 180 = 4,75 kWh. La energía utilizable es 26,4 x 180 x 0,80 = 3,8 kWh.
2 x AGM 12 V 220 Ah

La tensión nominal de la celda de plomo-ácido es de 2,0 V/celda. Cada batería monobloque de 12 V consta de 6 celdas conectadas en serie con una potencia nominal de 220 Ah. Conectando 2 baterías de 12 V 220 Ah en serie para dar 24 V y 220 Ah, la energía disponible es 24,0 x 220 = 5,28 kWh. La energía utilizable es 24 x 220 x 0,50 = 2,64 kWh.

Esto plantea la pregunta: ¿qué clasificación Ah de las baterías AGM sería el equivalente a los 3,8 kWh de energía utilizable de la batería de iones de litio? Para obtener 3,8 kWh de energía utilizable de una batería AGM, para empezar tendría que tener el doble de ese tamaño debido a la regla de economía del 50% del DOD, es decir, 3,8 x 2 = 7,6 kWh. A 24 V, eso significaría 7600/24, lo que nos da una potencia de batería de 316,66 Ah, que se acerca al doble de la capacidad nominal de la batería de iones de litio de 24 V y 180 Ah. Tenga en cuenta que esto no tiene en cuenta el envejecimiento de las baterías, la reducción de temperatura o el efecto de cargas más altas. En el caso de las baterías AGM, las cargas más elevadas tienen un efecto mayor que en las de litio. Consulte la sección – Energía utilizable: efecto sobre la capacidad de descarga y el voltaje con diferentes cargas, a continuación. En base a todo esto, es razonable decir que una batería AGM deberá tener el doble de Ah que una de litio.

Peso

La mayoría de las clasificaciones Ah de las baterías, independientemente del tipo, se especifican a una velocidad de 20 horas. Esto estaba bien en la época de las cargas livianas, pero a medida que la cantidad y el tamaño de las cargas han aumentado con el tiempo, también debemos considerar las cargas altas a corto plazo, a mediano y a largo plazo para diferentes tipos de equipos. Esto puede significar una batería grande. En los extremos, podríamos tener el aire acondicionado funcionando durante 10 horas con 10 kW, en comparación con una luz LED que utiliza 100 vatios en ese tiempo. Equilibrar estos diferentes requisitos y todas las cargas intermedias se vuelve clave. Con un paquete grande como el que se muestra a continuación para lograr esto, queda claro cuán pesado se puede comparar el plomo ácido con el litio. 1360/336 = 4 veces más pesado.

Energía utilizable: efecto sobre la capacidad de descarga y el voltaje con diferentes cargas.

Como se indicó anteriormente, la clasificación Ah de la mayoría de las baterías se cotiza a una velocidad de 20 horas. En la imagen a continuación para la batería de plomo-ácido, si fuera una batería de 100 Ah a una velocidad de 20 horas, puede ver que 0,05 C significa 100 x 0,05 = 5 amperios durante 20 horas = 100 Ah disponibles hasta que la batería esté totalmente descargada. Como usamos solo el 50% de la batería, podemos ver que el voltaje seguirá siendo de 24 V al 50% DOD para una carga de 5 A durante 10 horas y, por lo tanto, habremos consumido 50 Ah.

Aumentar el consumo de corriente (como muestran los gráficos a continuación) puede afectar la energía utilizable disponible y el voltaje de la batería. Esta reducción efectiva de la calificación se conoce como efecto Peukert. Con plomo ácido, cuanto mayor sea la carga, más necesitará aumentar la capacidad de Ah de su batería para ayudar a aliviar esto. Sin embargo, con litio, una carga incluso 10 veces mayor a 0,5 C aún puede tener un voltaje terminal de 24 V al 80 % DOD/20 % SOC, sin aumentar la clasificación Ah de la batería. Esto es lo que hace que el litio sea especialmente adecuado para cargas elevadas.

Nota: En los gráficos siguientes se muestra la capacidad de descarga frente al voltaje del terminal. Por lo general, verá gráficos de AGM como Tiempo de descarga versus voltaje terminal. La razón por la que trazamos la capacidad de descarga (en lugar del tiempo de descarga) es que el litio tiene un voltaje terminal más alto y más estable que el AGM, por lo que trazar las curvas con la capacidad de descarga en mente brinda una comparación más precisa de las químicas, lo que muestra que el litio aumenta la energía utilizable. a cargas más altas debido a voltajes terminales más altos y estables. Si bien puede considerar esto como un área gris (en parte también debido a la resistencia interna variable de las baterías), probablemente sea la única forma verdadera de comparar las tecnologías. Esto se demuestra con más detalle en las imágenes debajo de los gráficos.

Litio: capacidad de descarga frente a voltaje terminal


Plomo ácido: capacidad de descarga frente a voltaje terminal

Energía utilizable (ácido de plomo)

Energía utilizable (litio)

Eficiencia de carga

Mucho de lo que hemos visto en el proceso de descarga también es cierto en el proceso inverso de carga. No se deje intimidar por los generadores de gran tamaño que se muestran a continuación, ya que este blog simplemente muestra una variedad de escenarios. Las soluciones son escalables en principio. Primero, comparemos la eficiencia de carga del plomo ácido a la izquierda con el litio a la derecha, durante el ciclo de carga completo. Cargar el último 20% de una batería con tecnología de plomo-ácido siempre es lento e ineficiente en comparación con el litio. Esto se confirma en los costos de combustible (o cualquier fuente de carga que utilice) en las imágenes más abajo. Tenga en cuenta también la diferencia en los tiempos de carga.

Nota: Tasas de carga
La tasa de carga recomendada para baterías AGM de gran tamaño es 0,2 C, es decir, 120 A para una batería de 600 A que consta de bloques de 200 Ah en paralelo.
Las tasas de carga más altas calentarán la batería (en tal caso, es absolutamente necesario compensar la temperatura, detectar el voltaje y tener una buena ventilación para evitar el descontrol térmico) y, debido a la resistencia interna, el voltaje de absorción se alcanzará cuando la batería esté cargada solo al 60 %. o menos, lo que resulta en un mayor tiempo de absorción necesario para cargar completamente la batería.
Por lo tanto, la carga a alta velocidad no reducirá sustancialmente el tiempo de carga de una batería con tecnología de plomo-ácido.
En comparación, una batería de litio de 200 Ah se puede cargar con hasta 500 A; sin embargo, la velocidad de carga recomendada para un ciclo de vida máximo es de 100 A (0,5 C) o menos. Nuevamente, esto muestra que tanto en descarga como en carga el litio es superior.

Opciones de batería, mercados y ciclo de vida

Dependiendo de cómo trate una batería, puede esperar razonablemente el rango de ciclos siguiente, sujeto a que el DOD y los bancos de baterías tengan el tamaño adecuado para las cargas. La temperatura de funcionamiento también entra en juego. Cuanto más caliente esté la batería, menos tiempo durará. La capacidad de la batería también se reduce con la temperatura ambiente. La línea base para las variaciones por temperatura es de 25 grados centígrados.

Conclusiones

Claramente será necesario reemplazar las baterías AGM con más frecuencia que las de litio. Vale la pena tener esto en cuenta, ya que implica costos de tiempo, instalación y transporte, lo que anula aún más el mayor costo de capital inicial del litio, al igual que el menor costo de recarga del litio.

Independientemente de la elección de batería que se haga, desde el principio también existe un coste de capital y un riesgo tecnológico. Si está en condiciones de tener el capital para los costos iniciales más altos del litio, es posible que descubra que la vida es más fácil y que la elección es rentable con el tiempo. Gran parte de esto depende del conocimiento del operador y de cómo trata un sistema de batería. Hay un viejo dicho que dice que las baterías no se agotan, sino que mueren. Las buenas prácticas de gestión son su seguro contra el fracaso prematuro, independientemente de la tecnología utilizada.

¿Iones de litio frente a AGM? La decisión es tuya. Ha llegado el momento de considerar el litio en la industria marina como una solución rentable, confiable y de alto rendimiento. Ningún fabricante de vehículos eléctricos que se precie seguiría utilizando tecnologías de baterías basadas en plomo-ácido en la actualidad. ¿Es hora de que la industria marina se ponga al día?