Lithium-ion battery/es

Baterías de plomo ácido continúan siendo el estándar para los sistemas de almacenamiento de energía a nivel mundial debido a su bajo costo, confiabilidad y disponibilidad. Las baterías de ion de litio están comenzando a usarse con más frecuencia en los sistemas de almacenamiento de energía, ya que ofrecen varias características atractivas para sistemas FV autónomos. Existe una variedad de diferentes químicas de ion de litio, pero hay dos en particular que han surgido como las tecnologías más populares para sistemas FV autónomos: litio, hierro y fosfato (LFP) y litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC).

Las baterías de ion de litio se componen de muchas celdas pequeñas que están cableadas en serie y en paralelo para lograr el voltaje nominal deseado. Estas celdas son muy sensibles a la sobrecarga y, por lo tanto, requieren un sistema de gestión de batería (SGB) o (BMS en íngles) para garantizar una carga adecuada de la batería. La carga incorrecta no solo puede dañar irreparablemente las baterías, sino que también puede provocar un evento de fuga térmica con baterías NMC en el que la temperatura de una batería ya no se puede controlar y aumenta hasta el punto de que el equipo se daña o se provoca un incendio.

El diseño de las baterías de iones de litio y la presencia de un sistema SGB significa que las baterías están diseñadas para funcionar a un voltaje nominal establecido y no están diseñadas para conectarse en serie como se hace con las baterías de plomo ácido. Se venden en voltajes nominales que se pueden cablear en paralelo para lograr la capacidad Ah o kWh deseada. Una de las ventajas de los sistemas BMS que acompañan a cada batería es que se garantiza una carga adecuada para todas las baterías conectadas en paralelo, lo que significa que, por lo general, no hay un límite en la cantidad de baterías que se pueden poner en paralelo como ocurre con las baterías de plomo ácido (es mejor limitar la cantidad de baterías de plomo-ácido en paralelo a no más de tres cadenas para garantizar una carga adecuada).

Lithium ion battery types

Diagramas que comparan diferentes tipos de baterías de iones de litio. El anillo más externo es la calificación o rendimiento más alto. El anillo más interno es la calificación o rendimiento más bajo.
(1) Densidad de energía (2) Densidad de potencia (3) Seguridad (4) Toxicidad (5) Vida útil (6) Costo

Las baterías de litio, hierro y fosfato (LFP) y de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) tienen ventajas distintas que son útiles en diferentes aplicaciones.

LFP

Las baterías LFP se han convertido en la tecnología preferida para sistemas autónomos, ya que ofrecen varias ventajas en comparación con las baterías NMC: un ciclo de vida más largo, un precio más bajo por kWh, una química menos tóxica y una menor probabilidad de eventos de fuga térmica. Las características de las baterías LFP permiten a los fabricantes construir baterías más pequeñas que pueden funcionar como reemplazos directos de las baterías de plomo-ácido en muchos sistemas diferentes.

NMC

La principal ventaja de las baterías NMC es que tienen una mayor densidad de energía (pueden almacenar más energía por el mismo volumen y peso) y pueden funcionar con corrientes de carga y descarga más altas. Las baterías NMC se encuentran típicamente en sistemas integrados más grandes como los construidos por LG Chem y Tesla.

Compatibilidad con otros equipos

Es importante asegurarse de que cualquier equipo que se utilice con baterías de iones de litio sea compatible con ellas. Muchos tienen diferentes parámetros y voltajes que las baterías de plomo ácido que requerirán programación adicional. Estos parámetros varían significativamente; consulte el manual o el fabricante de cualquier batería que esté considerando.

Almacenamiento seguro de baterías

Las baterías de ion de litio a menudo vienen con gabinetes o parillas proporcionados por el fabricante. Se debe consultar el manual y el fabricante para determinar el medio de almacenamiento apropiado. Deben almacenarse en un espacio o habitación que evite el acceso no autorizado a través de una cerradura. Si se instala en un entorno hostil, es ideal si se mantienen en un entorno de clima controlado. No se pueden cargar por debajo de 0 ° C.

Seguridad

Las baterías de ion de litio siempre están selladas y, excepto durante un evento de fuga térmica o un accidente, no presentan un riesgo de exposición a productos químicos peligrosos. En el caso de los peligros eléctricos, todavía conllevan riesgos de arco eléctrico y un potencial de descargas con sistemas de voltaje más alto, pero también suelen ser más seguros que las baterías de plomo ácido cuando se trata de peligros eléctricos, ya que a menudo tienen medidas de seguridad adicionales proporcionadas por el sistema de gestión de batería, dispositivos de protección contra sobrecorriente o una desconexión integrada. Estas medidas funcionan para garantizar que la batería no proporcione corriente a menos que el instalador la conecte y active correctamente.

Reciclabilidad

El reciclaje de baterías de ion de litio puede ser un desafío en comparación con las baterías de plomo ácido que tienen una red global de reciclaje. Esto se debe en parte a que muchos de los materiales que contienen no son tan valiosos como el plomo, pero también a que los procesos de reciclaje son más complicados, lo que ha limitado el número de instalaciones a nivel mundial que son capaces de manipularlos. La forma adecuada de reciclar una batería depende del fabricante y su composición química; el fabricante será el mejor recurso para determinar cómo desechar las baterías. Muchas baterías LFP no contienen productos químicos peligrosos, lo que es una clara ventaja sobre las baterías de plomo-ácido y las baterías NMC.

Comparison with lead acid batteries

Lithium-ion batteries have both advantages and disadvantages with compared with lead acid batteries.

Advantages:

• Higher energy density. They can store significantly more energy in the same space/weight.
• Longer cycle life. They can provide 2-3 times as many cycles as lead acid batteries.
• Can accept a high charge current until nearly completely full - no absorption phase is required. This allows allows more rapid and efficient charging during the limited daylight hours when the PV source is operating or when running a generator.
• Higher round trip efficiency. 95-98% as compared to 80-90% efficiency for lead acid batteries.
• Higher depth of discharge. 80-100% with each cycle is possible as compared to recommended maximum of 50% with lead acid batteries.
• Voltage is not very responsive to temperature, which means that lithium ion batteries perform better in warm temperatures. Temperature compensated charging is not required.

Disadvantages:

• Higher upfront investment. Although the cost per cycle of some lithium-ion energy storage systems is comparable to that of lead acid batteries.
• Very sensitive to over-discharging and over-charging. The amount of current that can be inputted/outputted is limited and if exceeded can irreparably damage the batteries.
• Require a battery management system.
• Risk of thermal runaway events.
• Far more sensitive to low temperatures. Cannot be charged below 0°C.
• Limited availability.
• Limited compatible equipment availability.

Notes/references

Hydrowires - Energy Storage Technology and Cost Characterization Report
Chemical and Engineering News - It’s time to get serious about recycling lithium-ion batteries
Isidor Buchman - Batteries in a Portable World
Thomas Reddy - Linden's Handbook of Batteries, 4th Edition