Logrando largo

Jun 27, 2023

Las baterías de litio de duración ultralarga alimentan dispositivos inalámbricos remotos en todo el IIoT, con ciertas celdas funcionando hasta 40 años. Esta característica apareció originalmente en la edición IIoT & Industry 4.0 de Automation 2023.

Las baterías de vida prolongada son esenciales para los dispositivos inalámbricos remotos que se utilizan en todo el IIoT, lo que proporciona un importante beneficio económico al reducir o eliminar la necesidad de reemplazar las baterías. El uso de una batería de duración ultralarga puede traducirse en importantes ahorros de costos para aplicaciones inalámbricas remotas al eliminar los gastos de mano de obra relacionados con el reemplazo de la batería, que invariablemente supera el costo de la batería misma. Este beneficio de ahorro de dinero es especialmente importante para los dispositivos inalámbricos remotos que se implementan en ubicaciones remotas y entornos hostiles, donde el acceso a la batería puede tener un costo prohibitivo y, a veces, imposible.

Hay dos tipos de dispositivos de bajo consumo. La gran mayoría de estos dispositivos funcionan principalmente en un estado de "espera" y consumen una corriente promedio medible en microamperios con pulsos en el rango de múltiples amperios para alimentar las comunicaciones inalámbricas bidireccionales. Estas aplicaciones generalmente dependen de baterías de litio primarias (no recargables) de grado industrial, especialmente cuando el acceso a la batería es limitado o en entornos hostiles. Si se puede acceder fácilmente a la batería para reemplazarla y funciona dentro de un rango de temperatura moderado, entonces las baterías de grado de consumo podrían considerarse una solución más económica. rango de amperios, consumiendo suficiente energía promedio para acortar la vida útil de una batería primaria. Estas aplicaciones de alto consumo podrían requerir el uso de un dispositivo de recolección de energía junto con una batería recargable de iones de litio (Li-ion) para almacenar la energía recolectada. Las baterías de iones de litio de grado industrial ahora están disponibles y pueden funcionar hasta por 20 años. Numerosos tipos de químicas primarias (no recargables) están disponibles, cada una de las cuales ofrece ventajas y desventajas de rendimiento únicas. Estas químicas incluyen disulfato de hierro alcalino (LiFeS2), dióxido de manganeso de litio (LiMnO2), cloruro de tionilo de litio (LiSOCl2) y óxido de metal de litio (Tabla 1). aplicaciones Estas celdas brindan mayor capacidad y densidad de energía, hasta 40 años de vida útil y el rango de temperatura más amplio posible, lo cual es ideal para ubicaciones de difícil acceso y entornos extremos. Entre estas químicas primarias, LiSOCl2 tipo bobina (Figura 2) se prefiere abrumadoramente para implementaciones a largo plazo en ubicaciones remotas debido a su mayor capacidad y densidad de energía, rango de temperatura más amplio y una tasa de autodescarga anual increíblemente baja de menos del 1% por año para ciertas celdas.

Los dispositivos conectados a IIoT utilizan comunicaciones inalámbricas bidireccionales, por lo que exigen soluciones de administración de energía especializadas. Para maximizar la duración de la batería, estos dispositivos deben diseñarse para conservar energía empleando una variedad de técnicas de ahorro de energía, incluido el uso de un protocolo de comunicaciones de bajo consumo (WirelessHART, ZigBee, LoRa, etc.), conjuntos de chips de bajo consumo y técnicas diseñadas para minimizar el consumo de energía cuando el dispositivo está en modo "activo". Si bien son extremadamente útiles, estas técnicas de ahorro de energía a menudo se ven eclipsadas por las pérdidas de energía asociadas con la autodescarga anual. La autodescarga es común a todas las baterías, ya que las reacciones químicas ocurren incluso cuando una celda está desconectada o almacenada. La tasa anual de autodescarga de una batería puede variar considerablemente según su química, el diseño de la celda, el potencial de descarga actual, la calidad y pureza de las materias primas y, lo que es más importante, la capacidad de aprovechar el efecto de pasivación. Baterías LiSOCl2, la pasivación involucra una película delgada de cloruro de litio (LiCl) que se forma en la superficie del ánodo de litio para limitar la reactividad mientras no está en uso. Las celdas de LiSOCl2 se pueden construir de dos maneras: las celdas tipo bobina cuentan con un área de superficie menos reactiva, lo que es ideal para reducir la autodescarga. Sin embargo, la compensación es la incapacidad de entregar energía de alta velocidad. Las baterías de LiSOCl2 también se pueden fabricar con una construcción enrollada en espiral, lo que permite una mayor tasa de flujo de energía, con la contrapartida de una vida útil más corta debido a una mayor autodescarga. Siempre que se coloca una carga en la celda, la capa de pasivación provoca alta resistencia y una caída temporal en el voltaje hasta que la reacción de descarga comience a disipar la capa de LiCl, un proceso que se repite cada vez que se retira la carga. La capacidad de la celda para aprovechar el efecto de pasivación puede verse influenciada por su capacidad actual; duración del almacenamiento; temperatura de almacenamiento; temperatura de descarga; y condiciones previas de descarga, ya que quitar la carga de una celda parcialmente descargada aumenta el nivel de pasivación en relación con cuando era nueva. Los fabricantes de baterías experimentados pueden optimizar el efecto de pasivación mediante el uso de materias primas de mayor calidad y empleando técnicas de fabricación patentadas. Si bien la pasivación puede ser muy beneficiosa para reducir la tasa anual de autodescarga, este proceso debe aprovecharse cuidadosamente para evitar una restricción excesiva del flujo de energía.

Si bien las celdas LiSOCl2 de tipo bobina estándar son ideales para aprovechar el efecto de pasivación, no pueden generar los pulsos altos necesarios para las comunicaciones inalámbricas bidireccionales debido a su diseño de baja velocidad. Este desafío se puede superar con una solución híbrida, en la que la celda de LiSOCl2 tipo bobina estándar se usa para entregar una corriente de fondo de bajo nivel mientras se aumenta con un capacitor de capa híbrida (HLC) que almacena y entrega pulsos altos (Figura 3).

Pueden existir diferencias importantes entre células LiSOCl2 de tipo bobina aparentemente idénticas. Por ejemplo, una batería LiSOCl2 tipo bobina de calidad superior puede presentar una tasa de autodescarga tan baja como 0,7 % por año y es capaz de retener el 70 % de su capacidad original después de 40 años. Por el contrario, una celda de calidad inferior puede tener una tasa de autodescarga más alta de hasta un 3% por año y perder un 30% de su capacidad cada 10 años, lo que hace que la vida útil de la batería de 40 años sea inalcanzable. Elegir la batería ideal puede ser difícil, en en parte porque las pérdidas anuales de energía asociadas con una mayor autodescarga pueden tardar años en manifestarse por completo, y los modelos predictivos utilizados para estimar la vida útil esperada de la batería tienden a subestimar el efecto de pasivación, así como el impacto de la exposición prolongada a temperaturas extremas. Hay varios procedimientos de prueba disponibles para aproximar la vida útil esperada de la batería, siendo la mejor fuente los datos de prueba históricos tomados de las celdas que se usan en el campo. Cuando la vida útil prolongada de la batería es esencial para maximizar el retorno de la inversión (ROI), vale la pena realizar diligencia debida exigiendo resultados de pruebas a largo plazo completamente documentados junto con datos históricos de pruebas en el campo que involucran dispositivos comparables bajo cargas y condiciones ambientales similares. Al prestar más atención al evaluar las baterías de la competencia, puede lograr ahorros significativos a largo plazo al aumentar la confiabilidad y la vida útil de su dispositivo. Esta característica apareció originalmente en la edición IIoT & Industry 4.0 de Automation 2023.

Sol Jacobs es vicepresidente y gerente general de Tadiran Batteries. Tiene más de 30 años de experiencia en la alimentación de dispositivos remotos. Su formación académica incluye una licenciatura en ingeniería y un MBA.

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