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Baterías de litio: La última tecnología

25/11/21

Baterías de litio: La última tecnología

Hasta la fecha, la mayoría de las baterías que se usan a bordo son las clásicas de electrolito líquido. Sin embargo, recientemente ha surgido con fuerza una nueva tecnología a base de litio que ya es habitual en los vehículos eléctricos (coche, scooter, bicicleta, etc.) y se está empezando a utilizar en las embarcaciones.

Albert Brel.

 

Baterías

 

Las distintas tecnologías

Las baterías más comunes son las de plomo-ácido. En su fabricación se utilizan tres técnicas: abierta con tapones y electrolito líquido, cerrada con electrolito líquido (tapa soldada pero no estanca) y la batería sellada. En esta última, el electrolito está contenido en una sustancia gelificada (gel) o se absorbe en un mat de fibra de vidrio (AGM). Por su parte, las baterías abiertas, con tapones y electrolito líquido tienden a desaparecer del mercado. Las principales razones son el mantenimiento (adición de agua) y la falta de estanqueidad, por lo que deben instalarse en un cajón con ventilación para la evacuación de gases. Los modelos con electrolito líquido y con cubierta soldada son hasta el día de hoy los más utilizados en embarcaciones. No son estancas, pero cuando se descargan, el gas que liberan se recombina con el agua para producir electrolito nuevamente. La cantidad de electrolito que contienen está prevista para que, en condiciones de uso normal, la vida útil de la batería sea de entre 5 y 7 años. En esta tecnología se ha agregado calcio al plomo para disminuir la tasa de autodescarga. La autodescarga es la pérdida de capacidad cuando la batería no está en uso, por ejemplo, durante el invernaje. En una batería de plomo-ácido abierta es del orden del 10% mensual, mientras que en una cerrada con calcio es del 1 al 2%, lo que evita, si hemos tomado la precaución de recargarlas bien al final de la temporada, el recurrir a su mantenimiento. En 6 meses, habrá perdido un máximo del 10 al 12%. 

Nos quedan las baterías estancas. Estos modelos, de gel o AGM no emiten ningún gas por lo que no requieren ventilación y, por su estanqueidad, no requieren ser instaladas en un recipiente hermético. Además, se pueden instalar en cualquier lugar y en cualquier posición, incluso al revés. Hasta la fecha, la mayoría de los constructores de embarcaciones se mantienen fieles a las baterías cerradas con electrolito líquido o con gel o AGM. Todavía no han optado de todo por las baterías de litio, aunque estas sean cada día más habituales en los cruceros de regata y de alta competición. Y, puesto que las tecnologías utilizadas en la alta competición no tardan en implementarse en los modelos de serie, no nos cabe ninguna duda de que pronto se generalizará su uso en la navegación familiar de recreo.

 

Plomo y litio: tecnologías comparables

Una batería de plomo-ácido está formada por rejillas de plomo (una positiva y una negativa) separadas por un aislante y luego sumergidas en una solución ácida (electrolito). Cuando la batería está cargada, existe un equilibrio entre los componentes químicos de las placas y el electrolito. Si se rompe este equilibrio conectando un consumidor en los terminales de la batería, el electrolito se combina con las placas y se convierte en agua. Entonces la batería se agota. Para restaurarla a su capacidad, se debe reinyectar corriente, por ejemplo, utilizando un cargador (alternador, cargador, paneles solares, etc.). 

En una batería de litio, la reacción ya no se basa en el plomo sino en el litio. Cuando hablamos de la batería de litio, debemos especificar claramente la tecnología usada en su construcción. Actualmente, podemos citar tres tecnologías principales: 

  • Litio-ion (electrodo positivo en óxido metálico como manganeso, electrodo negativo en grafito y electrolito salino disuelto en una mezcla de carbonato). 
  • Polímero de iones de litio (electrolito polímero gelificado). 
  • Litio-hierro-fosfato (electrodo positivo compuesto de grafito, electrodo negativo de litio-hierro-fosfato —compuesto de litio—, electrolito de polímero de gel. 

 

Las primeras baterías fueron de iones de litio. Esta es la combinación que ofrece la mayor energía, pero no deja de existir un cierto riesgo de combustión o incluso de explosión.

Por ello, en determinadas aplicaciones se ha limitado o incluso prohibido su uso (en el ámbito aéreo, por ejemplo). Para superar las desventajas de los iones de litio, se ha desarrollado una variante, el polímero de iones de litio (Li-Po). Si bien la energía que entrega es ligeramente inferior a la anterior, tiene por el contrario las ventajas de su menor peso (sin carcasa metálica), su forma variable y su mayor seguridad. Es el tipo que se encuentra en los ordenadores portátiles, teléfonos inteligentes, etc. 

La batería de litio-hierro-fosfato comúnmente llamada LFP, si bien produce un voltaje menor (3,3 voltios), posee la ventaja se ser más segura y resultar menos costosa que la de Li-Po. En una batería de iones de litio, se utilizan metales caros como el cobalto y el níquel. En una LFP, el cátodo es fosfato de hierro (económico) que no libera hidrógeno, por lo que no hay riesgo de explosión o emisión de gases tóxicos. También su vida útil es importante. Es esta tecnología (LFP) la que se elige para aplicaciones móviles como es el caso del barco. Su único inconveniente es que debe contar con un sistema de regulación y seguridad BMS (Battery Management System) que suele estar integrado en la batería. 

En vista del gran mercado de baterías en muchas áreas, las marcas están desarrollando otras tecnologías. Hasta la fecha los recursos de litio son importantes, pero limitados. Se estima que más del 70% de la producción proviene de América del Sur (Chile, Argentina, Bolivia).

 

Baterías

-Anatomía de una batería de litio.

 

Baterías

-Baterías de Litio-ión instaladas en su cofre a bordo y conectadas en paralelo.

 

El sistema de gestión BMS

Como hemos dicho, las primeras baterías de litio (Li-Ion y Li-Po) eran inestables e incluso peligrosas. La tecnología LFP (Litio-Hierro-Fosfato) aplicada al ámbito náutico no presenta estos inconvenientes pero es imprescindible equiparla con un sistema de gestión denominado BMS (Battery Management System). Su función es evitar sobretensiones y subtensiones, y equilibrar las celdas entre ellas. Este sistema BMS, en la mayoría de las marcas está integrado en la batería. Por ejemplo, si las instrucciones del fabricante son: una tensión de carga máxima de 15 voltios, una corriente de 120 amperios y una tensión mínima de 9 voltios, si se sobrepasan estos valores  el sistema BMS corta la carga e incluso desconecta la batería.

 

¿Por qué elegir el litio?

Varios puntos están a favor del litio entre los que se encuentra el peso, la capacidad disponible y la velocidad de recarga. Se estima que una batería de litio es, para la misma capacidad, al menos tres veces más liviana que una batería estándar. Una batería estándar carga como máximo entre el 15 y el 20% de su capacidad. Por ejemplo, una de 100 Ah, se puede cargar al máximo con un cargador de 20 amperios. Una de litio de la misma capacidad acepta 100 amperios o más, lo que significa un ahorro significativo en el tiempo de recarga. Queda el precio. Teniendo en cuenta solo esto, es obvio que las baterías tradicionales tienen una clara ventaja. Por ejemplo, Accastillaje Diffusion ofrece una batería de plomo-calcio (Vetus) de 110 Ah (peso 24 kg), a 160 euros, una AGM (Uniteck) de 100 Ah (peso 29,5 kg) a 279 euros y una EZA de litio de 100 Ah (peso 13 kg) ) a 1.290 euros. Para valorar estos precios debe considerarse:

-El número de ciclos que puede proporcionar la batería.

-La capacidad disponible.

-El tiempo de recarga.

Con una batería estándar es de 250 a 500 ciclos, con una de litio unas 10 veces más.

En cuanto a la capacidad real disponible antes de la recarga, en una batería estándar, para evitar descargas profundas que la deterioren, es del orden del 50%, o 50 amperios disponibles antes de recargar en un modelo de 100 Ah. En una de litio, es de 100 amperios.

-En cuanto al tiempo de recarga, es del orden de 5 a 10 veces menor.

 

Baterías

-Clásico banco de baterías con tapones.

 

Baterías

-Banco de baterías sin mantenimiento con tapa estanca.

 

Baterías

-Banco de baterías sin mantenimiento con tapa estanca.

 

¿Se debe modificar la instalación?

Las baterías de litio siguen el mismo procedimiento de cableado que las tradicionales: en serie (+ conectado a —), los voltios se suman; en paralelo (+ a +, — a —), se suma los amperios. Queda el cargador. La mayoría de los modelos de última generación tienen un ciclo de carga para el litio. También pueden ser adecuados otros medios, como alternadores, paneles solares, turbinas eólicas o hidrogeneradores.

En algunos modelos de batería, una interfaz Bluetooth permite visualizar en un móvil (Android e IOS) toda la información relacionada con la batería (temperatura, capacidad, carga, voltaje de cada celda, intensidad de entrada y salida, etc.). Esto representa un plus para gestionar su instalación

 

Nuestra opinión

Las baterías de litio se han desarrollado rápidamente para adaptarse a las embarcaciones. En primer lugar, en embarcaciones de regata y de alta competición, con el objetivo de reducir el peso a bordo, y en embarcaciones de turismo que buscan la máxima capacidad de batería sin sobrecargar el barco. Sin embargo, si estos modelos se montan en sustitución de baterías de tecnología más anticuada, se bebe estar bien informado antes de acometer la instalación. Primero, se necesitará un cargador adecuado, y segundo, y si es posible, un administrador de baterías para visualizar el consumo y la producción. Sin embargo, algunos modelos de baterías, como Optimum Power, por ejemplo, tienen una aplicación que brinda toda la información necesaria.

 

Baterías

-Detalle de una batería de litio

 

 

 

Batería

-Batería Optimum Power con sistema de gestión integrado.

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Batería

-Cargador HPOWER de Cristec con salida para baterías de litio.

 

Baterías

-Toma para el control a distancia de las baterías Mastervolt.

 

Baterías

-Ejemplo de interface Bluetooth de control de baterías en un Smartphone