Las protecciones de las baterías de ion-litio

Este artículo se me ocurrió a raíz de algo que me pasó hace unos días probando una linterna que funciona mediante una batería CR123A, ya que al exigirle mucha corriente el LED se apagaba directamente, y aunque al final la explicación tiene su lógica (como luego veremos) quería aprovechar para hablar un rato sobre las protecciones que incorporan este tipo de baterías.

Las baterías de iones de litio han supuesto una revolución en la electrónica de consumo por su gran capacidad de almacenar energía, la posibilidad de fabricarlas en muy diversas formas físicas y la flexibilidad que dan a la hora de cargarlas y descargarlas. Sin embargo, también tienden volverse inestables si se les saca de sus condiciones de funcionamiento y almacenaje adecuadas y llegado el caso podrían llegar a incendiarse o explotar.

Las circunstancias que voy a enumerar a lo largo de esta entrada son las que pueden llevar a la autodestrucción de una batería de ion-litio, y por eso hay un circuito de protección en su interior y algunas características físicas a la hora de diseñar la propia batería que las harán seguras de utilizar y de cargar. Vamos a ver cada uno de los apartados:

Protección de corriente máxima de descarga

Las baterías de litio están diseñadas para dar una corriente máxima y sobrepasarla provocaría un sobrecalentamiento que podría llegar a inflamar sus celdas. Este cantidad de corriente se determina mediante el parámetro C con un número puesto delante de él indicando lo siguiente:

Pongamos que tenemos una batería de 800 mAh de capacidad. Esto quiere decir que la batería es capaz de almacenar en su interior 800 mAh que irá entregando a la carga a una intensidad máxima marcada por el número que se antepone a la C. Es decir, que si la batería es de 1C la máxima corriente que puede dar será de 800 mA (y en teoría duraría una hora). Si fuera de 2C podría dar hasta 1600 mA durante media hora. Si fuera 5C podría dar un máximo de 4000 mA durante 12 minutos… Creo que está claro, ¿no?

Pues bien, veamos qué ocurrió con la linterna a la que me refería en la introducción de este artículo. Resulta que la batería que le estaba poniendo a la linterna era de 650 mAh pero con un coeficiente de descarga de 1C, lo que quiere decir que no le puedo exigir más de esos 650 mA en ningún momento. En los modos de funcionamiento más bajos no había problema porque la linterna consume menos de esa cantidad de electricidad; pero al poner el modo más alto de todos, pongamos que el LED le pide a la batería 900 mA y entonces a los pocos segundos el circuito de protección corta la corriente porque si no fuera así internamente la batería podría sobrecalentarse y dar problemas.

Al cambiar a una batería de la misma capacidad pero de 3,5C la corriente máxima que es capaz de dar en un momento dado es de 650 mA x 3,5 = 2275 mA que está por encima de esos 900 mA que el LED necesita en su modo más luminoso y entonces funciona sin problemas.

Esta misma protección es la que actúa ante cortocircuitos que puedan suceder si, por ejemplo, metemos la batería en una mochila con cosas de metal como clips, monedas y llega el caso (complicado, pero puede pasar) en que se ponen en contacto los dos polos de la batería generando un cortocircuito. En ese momento la electricidad teóricamente se haría infinita lo que sería peligroso para la integridad de la batería, así que la protección actúa desconectando internamente la batería y cortando así el paso de corriente y evitando el desastre.

Protección contra exceso de temperatura

La temperatura de las celdas de litio es peligrosa si se eleva demasiado por el motivo que sea; no sólo por sobrecorrientes. Como os decía en el apartado anterior, el circuito de protección monitoriza la corriente entregada en todo momento por la batería y cortará si sobrepasamos la máxima fijada por diseño, de modo que por ese motivo la batería no debería de calentarse en exceso.

Sin embargo, eso no quita que la batería se pueda calentar por factores externos como que el propio aparato al que alimenta genere un montón de calor, que la batería esté en un coche a pleno sol en verano… En ese caso disponemos de otro sistema de seguridad que se encarga de desactivar internamente la batería si detecta que su temperatura sobrepasa cierto nivel sea por el motivo que sea.

Protección contra polaridad inversa

Esta protección lo que hace es evitar que la batería pueda recibir corriente si la hemos conectado en sentido contrario a la hora de cargarla. Esto se implementa porque meter a las celdas de litio una corriente en inverso puede ser peligroso para su integridad y podría llegar a autocombustionar (como estáis viendo, son baterías muy delicaditas).

 

Protección contra descarga profunda

Otro factor peligroso para las baterías es tratar de hacerlas funcionar cuando estas se encuentran a una tensión extremadamente baja. Todas las baterías tienen una tasa de autodescarga; es decir, que aunque las tengamos metidas en un cajón sin utilizar se van a ir descargando poco a poco (su voltaje irá disminuyendo) tanto por la propia concepción de este tipo de baterías como por la circuitería de control que algo de energía necesita para mantenerse operativa en todo momento. Si la tensión de alguna celda cae a unos 3 V la batería no va a funcionar para evitar así que se le pida corriente estando la tensión tan baja.

Por tanto, si la tensión de las celdas baja de un nivel determinado la batería no va a funcionar, pero lo peor es que si el voltaje es realmente bajo (el límite se suele situar en unos 2,6 V para los habituales 3,7 V que suelen dar) el circuito impedirá incluso que podamos cargarlas, haciendo por tanto que la tengamos que tirar.

Protección contra sobrevoltaje

De forma muy similar al caso anterior, la circuitería de control de la propia batería va a vigilar constantemente (en este caso a la hora de cargar) que el voltaje de las celdas no sobrepase aproximadamente 4,2 V para que así no pueda darse alguna reacción violenta en el interior de la batería y acabar esta incendiándose.

Lo habitual es que los cargadores vayan monitorizando el voltaje de la batería que tienen conectada y detengan la carga cuando esta ha llegado a su voltaje nominal; pero como de todo hay en la viña del señor (AKA fabricantes muy piratas), es mejor que la propia batería vaya monitorizando esto y en caso de problemas que se desconecte internamente para detener así su carga.

Protección contra cortocircuito interno por deformación

Esta protección no consiste en un circuito electrónico, sino en una forma constructiva; y es que para que las celdas de litio no puedan deformarse y cortocircuitarse internamente, las baterías de este tipo se meten en una camisa metálica reforzando especialmente la zona del polo positivo. Esto es para que si, por ejemplo, la batería se cae al suelo esta no se deforme y pueda dar lugar al cortocircuito interno que os decía hace un momento.

Del mismo modo, en la zona del polo positivo suelen disponer de unos orificios de venteo para que en el caso de que todo vaya mal y finalmente por lo que sea la batería empieza a coger presión en su interior, los gases que se forman en el interior saldrían por estos orificios en lugar de inflar la batería minimizando así el riesgo de que llegue a hacer explosión.

Como veis es todo un mundo esto de las protecciones para las baterías de iones de litio, pero es que por sus características es más que recomendable disponer de este tipo de salvaguarda para evitar que un día podamos tener un disgusto.

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