¿Cómo pierden capacidad las baterías en invierno?

Question

Uno de los problemas de los vehículos eléctricos es que la capacidad de las baterías suele reducirse a bajas temperaturas. Algunas baterías pueden perder hasta el 50% de su capacidad en invierno.

Lo que no acabo de entender es cómo se reduce la capacidad. ¿La baja temperatura impide que las baterías se carguen o descarguen completamente, o ambas cosas? Si las baterías no pueden cargarse por completo a bajas temperaturas, ¿qué ocurriría si una batería ya cargada por completo se enfría a una temperatura baja? Como la energía se conserva, el exceso de energía necesita un lugar al que ir, lo que puede suponer un grave riesgo para la seguridad. Si la temperatura fría limita el alcance de la descarga, ¿tendría una batería ya totalmente descargada dificultades para cargarse a bajas temperaturas por estar excesivamente descargada en el nuevo entorno?

P.D. No estoy seguro de si es más apropiado plantear mi pregunta en stackexchange de química porque la carga y descarga de las pilas son reacciones químicas.

Answer 1

Es cierto que el rendimiento de la batería se reduce a temperaturas más frías.

Esto se debe a que la temperatura influye en los procesos químicos de las baterías, sobre todo en las de iones de litio, las más utilizadas en los vehículos eléctricos. Véase este " Efecto de la temperatura e impacto térmico en las baterías de iones de litio: Una revisión. ", donde se concluye que:

A bajas temperaturas, la degradación del rendimiento se debe principalmente a la reducción de conductividad iónica [de la solución electrolítica] y el aumento de la resistencia a la transferencia de carga .

El problema de las bajas temperaturas y el rendimiento de la batería es un problema de dinámica química y velocidad de reacción, etc., y no está relacionado con cosas como el efecto de la temperatura en el flujo de corriente (resistencia) a través del cableado, etc., que parece sugerirse. De hecho, las temperaturas más altas aumentan la resistencia (especialmente en conductores metálicos).

Answer 2

Un enfoque más profundo, físico-químico, de la cuestión:

Una pila (sea cual sea la química que utilice) contiene invariablemente electrodos sólidos y electrolito líquido (hay pilas que lo tienen al revés, pero los problemas son más o menos los mismos).

Las partículas del tamaño de un polvo de las que está hecho el electrodo contienen alguna sustancia en todo su volumen, pero los procesos químicos de carga y descarga sólo se producen en la interfaz entre la partícula sólida y el electrolito líquido.

No importa si se carga o se descarga la pila, la superficie de la partícula se enriquece en el producto de la reacción y se agota de la sustancia aún por procesar. El proceso que transporta el producto al interior de la partícula y la sustancia sin procesar a la superficie se denomina difusión .

La difusión depende en gran medida de la temperatura. Cada pocos grados C duplica su velocidad.

También depende de la concentración: si hay más masa sin procesar dentro de la partícula, la difusión será más rápida.

Si fuerza a la batería a hacer su trabajo más rápido (utilice una corriente de carga o descarga más alta), la difusión puede no seguir el ritmo. Esto se manifiesta como una resistencia eléctrica no lineal de toda la célula, lo que limita la potencia utilizable.

Si combinamos esto con las propiedades de difusión inherentes anteriores, vemos que la potencia disponible depende tanto de la temperatura como del estado de carga de la batería. Si la temperatura es baja, la capacidad de potencia disponible de la batería cae pronto por debajo de la potencia utilizable que uno necesita.

Por ejemplo

• a 30C la batería puede ser feliz a su capacidad de diseño.
• a 15C la batería puede ser utilizable entre el 5% y el 95% del estado de carga, lo que nos da ~90% de capacidad utilizable
• a 0C la batería puede ser utilizable entre el 20% y el 80% por lo que tenemos ~60% en el medio. ... y así sucesivamente.

Cuando cargamos la batería en un clima frío, podemos permitirnos el lujo de utilizar algo de energía extra para calentar la batería y que se cargue a una velocidad alta hasta el 100%, o bien utilizar una velocidad de carga más baja al final del proceso, hasta alcanzar el 100%, por ejemplo, durante la noche.

Por otro lado, cuando se descarga la batería, por ejemplo al conducir un coche eléctrico o hablar por teléfono, la demanda de energía suele venir dictada por la carga y, si la batería no puede satisfacerla, se considera que está vacía, aunque pudiera emitir, por ejemplo, un 30% más de energía a menor velocidad.

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Otras dos propiedades interesantes de las pilas, también relacionadas con la difusión:

• Por lo general, el electrolito tiene el mismo comportamiento relacionado con la difusión, pero ocurre en una escala de tiempo diferente (por ejemplo, segundos). Por eso una batería de arranque (la de los coches) puede emitir de 1 a 3 kW durante unos segundos (necesarios para arrancar el motor), pero necesita un "descanso" si el motor no arranca y es necesario un segundo intento. El "descanso" necesario también depende de la temperatura y, a temperaturas bajo cero, es aconsejable uno o dos minutos.

• El problema de la difusión en estado sólido (y la dependencia de la temperatura de la capacidad utilizable) empeora a medida que la batería envejece. Esto se debe a que las partículas de los electrodos tienden a aumentar con el tiempo y la difusión tiene que transportar las sustancias a mayores distancias.

Answer 3

Además de la carga de la propia batería, también hay que tener en cuenta el aumento del uso de la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado.

A diferencia de un vehículo con motor de combustión interna, que produce calor residual como subproducto de la combustión y canaliza ese calor hacia el habitáculo, los motores eléctricos son extremadamente eficientes y, por tanto, producen muy poco calor residual. Por eso, para mantener calientes a los ocupantes, los VE necesitan crear calor a propósito. A menudo, la calefacción del habitáculo se consigue mediante un calefactor eléctrico resistivo, similar a un calefactor portátil enchufable que puedas tener en casa. Estos calefactores consumen una cantidad considerable de electricidad, pero son fáciles de instalar. Los vehículos eléctricos más recientes, como el Tesla Model Y, utilizan una bomba de calor que comprime la energía térmica y funciona casi al instante, con la ventaja añadida de ser mucho más eficiente y, por tanto, afectar menos a la autonomía. Se acabó esperar 15 minutos a que el coche se caliente lo suficiente para desempañar el parabrisas.

En algunos vehículos eléctricos, como Tesla, el sistema de refrigeración de las baterías comparte componentes con el sistema de climatización del habitáculo. La batería no sólo tiene que mantenerse fría cuando hace calor y está bajo carga, sino que también tiene que calentarse si hace demasiado frío. Básicamente, el sistema de gestión térmica de la batería también utiliza electricidad para mantener caliente la propia batería.

Answer 4

La carga de una pila recargable es literalmente una carga, es decir, una cantidad de electrones que se han movido. La carga se conserva; el cambio de temperatura no la altera.

Es normal dejar de añadir carga a una batería que presenta una subida de tensión hasta cierto nivel, porque ese aumento de tensión indica el agotamiento del electrodo que se está oxidando, y del electrodo que se está reduciendo. A baja temperatura, es posible que la resistencia interna y la corriente de carga normal puedan provocar una subida de tensión que detenga la carga automática, antes de que los electrodos se agoten.

Y, durante el uso, una caída de tensión debida al electrolito frío resistividad puede causar una indicación de "capacidad cero antes de que se utilice toda la carga disponible.

Por lo tanto, un monitor del estado de la batería puede indicar una menor carga porque es sensible a los efectos de la temperatura, como leer "lleno" cuando la batería no tiene estado de carga química completa, o "vacía". aunque la batería tenga energía química disponible.

Para un vehículo eléctrico de batería, en particular, la carga de la batería se realiza con la batería capaz de calentarse, o enfriarse, a la temperatura óptima para el proceso. No debería haber ningún problema para cargar o utilizar el vehículo en frío.

En En funcionamiento, la batería de un vehículo de motor también puede mantenerse en un rango de temperatura útil. un rango de temperatura útil, en lugar de estar siempre a temperatura ambiente. La limitación de temperatura que importa es el elemento parásito del circuito de resistencia al frío en el interior de la batería, no la resistencia química. estado de carga completa/cero disponible.

En resumen, la carga de la batería no se pierde si la enfrías, porque la carga se conserva. Una carga/descarga no debe aplicarse nunca a baterías congeladas.