Con nuevos métodos de medición para alargar la vida útil de las pilas

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14.03.2023 - Alemania

El envejecimiento de las celdas de una batería no puede determinarse fácilmente en condiciones reales. Sin embargo, una declaración precisa sobre el estado de envejecimiento de las celdas en funcionamiento constituye la base para comprender mejor los mecanismos de envejecimiento de una batería y prolongar su vida útil. Para poder determinar el estado de las celdas de la batería con mayor precisión y sin esfuerzo de laboratorio, en el Fraunhofer IFAM de Bremen se ha seguido desarrollando la determinación de la resistencia de CA dentro de la batería mediante espectroscopia de impedancia dinámica. Esto permite realizar mediciones durante el funcionamiento, lo que permite hacer afirmaciones sobre el rendimiento en tiempo real.

Muchos factores son decisivos para el envejecimiento de las celdas de las baterías. Además del envejecimiento natural, que viene determinado esencialmente por las temperaturas de almacenamiento y el estado de carga durante el mismo, es crucial el historial de todos los procesos de carga y descarga con las cargas actuales y las temperaturas que se produjeron en cada caso. Por lo tanto, hay muchos factores de influencia variables durante largos periodos de tiempo, por lo que la determinación precisa del estado de envejecimiento es compleja y hasta ahora ha supuesto un esfuerzo considerable. En este contexto, los enfoques existentes se basan o bien en simulaciones, que representan una descripción simplificada del sistema de baterías y del proceso de descomposición, o bien en la extrapolación experimental de la vida útil del ciclo de las celdas de la batería. En este caso, se determina la relación empírica entre la impedancia medida de una célula y la capacidad de la batería.

La modelización simulativa requiere conocer todos los procesos detallados necesarios para cada tipo de célula, algunos de los cuales aún no se conocen o no se comprenden. Además, para pasar a una nueva química celular, hay que volver a realizar todo el proceso de descripción, lo que a su vez supone un esfuerzo considerable. Lo mismo ocurre con la extrapolación a partir de mediciones, ya que en este caso hay que realizar el esfuerzo de medición completo para cada tipo de célula que se vaya a describir y todas las condiciones ambientales existentes (temperatura, perfil de carga, etc.). Esto ni siquiera tiene en cuenta descripciones más detalladas como la distribución espacial de la temperatura dentro de una célula.

El nuevo enfoque desarrollado para determinar la vida útil proporciona al sistema de baterías una memoria de todos los procesos

El nuevo enfoque desarrollado en el Fraunhofer IFAM consiste en describir la vida útil de las celdas de las baterías mediante un modelo basado en un conocimiento limitado de la química celular. Para ello, se utilizan modelos matemáticos de comportamiento no lineal con efectos de "memoria" (las llamadas series de Volterra) para describir las propiedades de las células. Este enfoque ofrece la ventaja de que la salida del sistema depende de la entrada al sistema en todo momento, por lo que el sistema obtiene una memoria de todos los procesos anteriores, lo que es esencial para describir el proceso de envejecimiento.

El paso crucial consiste entonces en medir la impedancia dinámica de las celdas de la batería durante su uso, es decir, durante la carga o descarga de la celda. Es posible medir directamente los parámetros matemáticos que describen el comportamiento de las células. Con la ayuda de esta representación matemática, también se pueden tener en cuenta estados que no se han medido, lo que permite la transferibilidad a otras condiciones ambientales y químicas de las celdas, es decir, la consideración de tipos de baterías completamente nuevos.

Aplicación con éxito en sistemas de gestión de baterías

El nuevo método no sólo ofrece la posibilidad de transferir los resultados a tipos de celdas completamente diferentes (por ejemplo, baterías de estado sólido) con poco esfuerzo, sino sobre todo la ventaja de que las mediciones pueden realizarse directamente durante el uso de una batería, por ejemplo, en un coche eléctrico. Por tanto, no es necesario un trabajo de laboratorio adicional ni una restricción de uso para determinar la edad.

Por lo tanto, al implementarlo en el sistema de gestión de la batería, todos los datos necesarios para la predicción de la vida útil pueden obtenerse en cualquier momento durante el uso del sistema. Además, se pueden desarrollar estrategias de carga optimizadas basadas en estos datos, aumentando así la vida útil total del sistema de baterías. Esto reduce los costes de la vida útil y aumenta la sostenibilidad cuando se utiliza un sistema de baterías en la aplicación.

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