Litio

¿Necesitas algún tipo de batería para un proyecto? ¡Siempre puede encontrar algunas baterías de iones de litio (LiIon)! Están en nuestros teléfonos, computadoras portátiles y una miríada de otras cosas que funcionan con baterías de todas las formas; como piratas informáticos, nos encontraremos trabajando con ellos cada vez más. Las baterías de iones de litio son inigualables en lo que respecta a la capacidad de energía, la facilidad de carga y todas las formas y tamaños en los que puede obtener una.

También hay conceptos erróneos acerca de estas baterías: malos consejos dando vueltas, videos aterradores de dispositivos en llamas, así como una falta de comprensión mundana. Hoy, me gustaría brindar una descripción general de cómo tratar sus baterías LiIon correctamente, asegurándome de que le sirvan bien a largo plazo.

Las baterías de iones de litio son nuestras amigas. Ahora, no puede haber una amistad adecuada si ustedes dos no se entienden. Las baterías de iones de litio están diseñadas para las necesidades humanas por la fábrica que las produjo. En cuanto a nosotros, los hackers, queremos aprender algunas cosas.

Lo primero que debe aprender: una sola "unidad" de LiIon se llama celda. Una computadora portátil promedio contiene tres o seis celdas de iones de litio, un teléfono tendrá una, una tableta tendrá de una a tres. A lo que nos referimos como "batería" suele ser una o varias celdas, junto con un circuito de protección, una carcasa y un conector separado; la mayoría de las veces, los tres, pero no siempre. El voltaje típico es de 3,6 V o 3,7 V, con un voltaje máximo de 4,2 V; estos están definidos por la química, son los mismos para la mayoría de los tipos de celdas y casi siempre están escritos en la celda.

En las baterías de celdas múltiples, las celdas están dispuestas en una combinación de disposiciones en serie y en paralelo, lo que se denomina "configuración". Por ejemplo, una batería típica de computadora portátil de 6 celdas podría describirse como una configuración "3s2p", lo que significa "tres secciones en serie, en las que cada sección consta de dos celdas en paralelo". El voltaje de dicha batería se describe típicamente como uno de los voltajes de la batería multiplicado por el número de etapas en serie; el voltaje de una batería 3sXp podría etiquetarse como 10,8 V, 11,1 V o 12,6 V.

Las celdas paralelas se pueden tratar funcionalmente como una celda de mayor capacidad; por ejemplo, si tiene dos celdas de 1000 mAh y necesita una capacidad de 2000 mAh, puede conectar las dos celdas en paralelo y obtener exactamente lo que necesita. Asegúrese de no poner en paralelo celdas de capacidad significativamente diferente; entonces, una de ellas tomará más corriente de carga de la que quizás debería. Esta disposición tiene un problema: si una de las células falla internamente y comienza a autodescargarse, también hace caer a todas las demás células sanas conectadas en paralelo. Es posible que haya encontrado este modo de falla si alguna vez ha desarmado la batería de una computadora portátil descargada.

Hay diferentes factores de forma física para las células: cilíndricas, células de bolsa y prismáticas. 18650 es el formato de celda cilíndrica más popular, donde 18 representa el diámetro y 65 representa la longitud (en milímetros). Este tipo de celdas, normalmente las verá en baterías de portátiles y herramientas eléctricas, dispositivos de transporte eléctrico de todo tipo.

Las celdas de bolsa y prismáticas suelen ser rectangulares, con excepciones como las celdas en forma de cilindro en los vaporizadores desechables. Estos, los verás en teléfonos, computadoras portátiles más delgadas, tabletas y, en general, todo tipo de dispositivos portátiles. Me referiré a las celdas de factor de forma rectangular como "celdas de bolsa" indistintamente.

A menudo verá que el término "LiPo" se usa en línea cuando se habla de baterías de helicópteros, o simplemente algunas celdas de bolsa. La tecnología LiPo es un subconjunto de la tecnología LiIon, típicamente empaquetada en celdas de bolsa, y es lo mismo que LiIon para los fines de este artículo. LiFePO4 también es un subtipo de LiIon, difiere en algunos aspectos importantes como los voltajes, pero la mayor parte de este artículo aún se aplicará.

No importa qué tipo de celdas LiIon estés usando, ya sea un 18650, un paquete de una sola celda "LiPo" o una celda de bolsa que sacaste de un teléfono inteligente muerto, los componentes electrónicos requeridos generalmente siguen siendo los mismos, principalmente gracias a los voltajes. implica ser el mismo. Por ejemplo, si tiene una placa ESP32 con una entrada JST-PH de 2 pines para una batería, funcionará si tiene un 18650 en un soporte con cables soldados o una celda de bolsa que obtuvo de Adafruit. No es magia arcana, solo tienes que seguir unas pocas reglas. Aquí está todo lo que siempre querrías saber.

A las baterías de LiIon no les gusta que se descarguen en exceso; como regla general, no desea obtener una batería de iones de litio por debajo de 2,5 V - 3,0 V, dependiendo de la cantidad de corriente que intente extraer a ese voltaje. Por debajo de un cierto voltaje, las baterías de LiIon sufren cambios irreversibles y pierden su capacidad. 3,0 V es mi umbral personal, asegurándome de que mis baterías duren aún más. No, no es un requisito que agregue un ADC a su carga útil, solo asegúrese de que su batería tenga un circuito de protección; estos generalmente están configurados para proteger contra una sobredescarga de 2.5 V, y también puede obtener los de 3.0 V si lo desea.

Si realiza una descarga suave, su batería durará más. Esta es la razón por la cual el "0% de batería" de su teléfono no es el 0% real de la capacidad de la batería; por lo general, aún queda algo de energía, pero al agotarse, la capacidad de la batería se vería afectada a largo plazo. Esta es también la razón por la que algunas computadoras portátiles tienen una limitación del nivel de carga de la batería del 80% accesible por BIOS con el fin de extender la expectativa de vida útil del paquete: cambia algo de capacidad operativa por eso, pero es una compensación que vale la pena considerar.

Las baterías de iones de litio quieren cargarse correctamente. Verá que se menciona CC/CV, que se refiere a "corriente constante/voltaje constante", donde primero se alimenta la batería con una corriente constante y la celda aumenta su voltaje a medida que se carga, y una vez que su voltaje alcanza cierto umbral, el modo de carga se cambia para mantener el voltaje de carga algo constante y, en cambio, disminuir la corriente con el tiempo. Este proceso de carga de dos etapas requiere un IC de carga; afortunadamente, son omnipresentes. Si tiene un dispositivo que acepta una batería LiIon, es probable que tenga un cargador integrado; para sus propios dispositivos, los cargadores son fáciles de encontrar como módulos.

Cuando trabaje con celdas pequeñas de menos de 1000 mAh, querrá asegurarse de que su corriente de carga sea la mitad de la capacidad de la batería, o incluso menos; por lo tanto, para una celda de 1000 mAh, sería de 0,5 A o menos. Por ejemplo, los omnipresentes módulos TP4056 están configurados para una corriente de 1 A. Digamos que intentaste cargar una batería de 100 mAh con eso; este es uno de los casos raros en los que la celda puede sentirse muy insatisfecha con tu tratamiento. Afortunadamente, para los módulos azules "TP4056", todo lo que se necesita es cambiar una resistencia, ¡y las placas TP4056 a menudo también incluyen un circuito de protección!

Recuerde: las celdas LiIon pueden poner mucha corriente en cualquier cosa que conecte a sus terminales. Cuando trabaje con celdas desprotegidas, es importante que no las cortocircuite por accidente. Por ejemplo, si desea reparar un banco de energía, primero desuelde el terminal negativo, al igual que con las baterías de automóviles. Esto disminuirá las posibilidades de que cortocircuite el pin positivo a tierra con su soldador; eso dispararía el circuito de protección, causaría una pequeña chispa y posiblemente haría que su batería pierda parte de su capacidad. Esta es una razón más por la que tiene un circuito de protección: estos se disparan en eventos de sobrecorriente.

Recapitulemos: con una batería de una sola celda (o de una sola etapa), querrá un circuito de protección y habrá un cargador en algún lugar de la imagen. Para paquetes de LiIon donde varias celdas están conectadas en serie, querrá un circuito de protección que esté conectado a las conexiones entre celdas, para un control de sobredescarga adecuado, y también querrá algún tipo de equilibrio cableado en estos, asegurándose de que las secciones individuales de la batería no se sobrecargue. Esta combinación de circuitos de protección+equilibrio a menudo se denomina "BMS" (sistema de gestión de batería).

Si termina teniendo bastantes baterías o celdas sin usar, hay algo que podría mejorar. Se ha descubierto que no debe almacenar sus baterías a largo plazo con una carga del 100 %, ya que eso podría provocar una pérdida de capacidad: una carga del 50 al 60 % es un mejor nivel de almacenamiento. Por lo tanto, si desea colocar sus celdas en un estante durante unos meses o más, es mejor si primero las lleva a 3,8 V-3,6 V. No es que el almacenamiento de carga completa vaya a acabar con la batería; no puedo negarlo, he estado almacenando la mayoría de mis celdas completamente cargadas y hasta ahora no ha sido un factor decisivo. Esto es mucho más preocupante para las baterías de bolsa LiPo que para las celdas LiIon.

Si alguna vez necesita usar fuerza contundente para quitar una celda pegada, use herramientas de plástico no afiladas en lugar de las de metal, e intente encontrar una forma diferente primero. Digamos que desea liberar una celda de bolsa de una tableta vieja. Primero, intente rociar cantidades abundantes de isopropilo debajo de la batería y deje que se ablande, y gire la celda en lugar de doblarla; es posible que no necesite ninguna herramienta. Si necesita hacer palanca en la celda con algo, use una tarjeta de crédito vieja cortada. En general, se desaconseja la calefacción (es decir, el secador de pelo).

Una cosa que le recomiendo enfáticamente que evite es perforar una celda de bolsa hinchada. Por supuesto, a veces un pinchazo ocurre por accidente al restaurar cosas, y estarás bien si te alejas un poco de la celda, pero no andes haciendo agujeros en las almohadas picantes por diversión.

Para las celdas 18650 (cilíndricas), es más difícil perforarlas, pero aún es posible. Uno de estos casos es desarmar la batería de una computadora portátil, cortando el plástico de la caja de la batería con herramientas de metal afiladas. ¡Cuidado! El caso es el terminal negativo, por lo que si corta la envoltura retráctil, no haga contacto con la punta positiva. Sin embargo, si su cubierta de plástico 18650 falta o está rota, está bien, es solo un tipo especial de termorretráctil, puede comprarlo a bajo precio y colocarlo en la celda con aire caliente.

Si desea utilizar 18650 en sus propias creaciones, es mejor que se abastezca de soportes o imprima algunos. La segunda mejor cosa es soldar tiras de metal por puntos (algunos talleres lo harán por usted) y soldar cables a estos. Soldar directamente a las celdas 18650 es un tema complicado. El consenso es que se puede hacer, pero es mejor si no lo hace.

Es mejor aplicar calor a la carcasa de la celda 18650 en pequeñas cantidades; por lo tanto, usar un soldador de mayor potencia durante cortos períodos de tiempo es probablemente la forma más segura de hacerlo. Tal vez uno de tus amigos o un hackerspace cercano tenga un soldador por puntos que puedas usar en su lugar, ¿o puedes construir el tuyo propio?

Almacenar celdas y baterías a largo plazo no es ciencia espacial, bastará con un estante libre. Asegúrese de que no estén mecánicamente en riesgo, es decir, que no se caigan, que no tengan nada pesado/afilado encima, yadda yadda. Para celdas de bolsa sin circuitos de protección, querrá envolver los terminales expuestos en algo así como cinta kapton mientras se almacenan, y colocarlos en algún lugar a prueba de incendios por si acaso. Para la década de 1865, hay estuches de plástico baratos en los que puedes guardarlos. Las cajas de munición pueden ser tentadoras, pero asegúrate de que el metal no acorte las celdas mientras traquetean por dentro.

Como piratas informáticos, podemos obtener células LiIon de una gran variedad de fuentes diferentes. Esto es maravilloso, ya que nuestros proyectos vienen en todas las formas y tamaños: algunos funcionarán bien con 18650, otros pueden funcionar con la batería de un teléfono inteligente o una celda plana extraída de un ultrabook, algunos son lo suficientemente pequeños como para que tal vez una batería de vape sea mejor. apuesta.

Sin embargo, no todas estas células serán buenas para usted: hay algunos indicadores fáciles de que la célula está por debajo de lo normal y tal vez esté dañada internamente, y debe tener cuidado con estos signos. Te daré un acrónimo: LUSH, que significa "Lacerado,tusubvertido,Ssuperior,Hcomido".

¿Está cortada la envoltura plateada de la celda de su bolsa? ¿Tu 18650 está abollado en un costado? ¿Manejaste mal un paquete LiPo de un auto RC y ahora está aplastado como no lo estaba antes? Si es así, recíclelo en lugar de reutilizarlo. Está bien tener un poco de abolladura en la terminal negativa de su 18650 mientras usa tijeras de hojalatero para deshacerse de los restos de tiras soldadas por puntos. Aparte de eso, normalmente no hay mucho margen mecánico entre la pared lateral de la celda y sus capas internas de electrodos, y apretar estas capas juntas es un posible punto de falla.

Si la celda tiene menos de 2,5 V, tírela. En caso de que su celda tenga un circuito de protección y la salida de ese circuito sea de 0 V, es posible que desee medir antes del circuito de protección, directamente en los contactos de la celda; por lo general, corte suavemente el kapton o la cinta plástica cuando sea necesario, tal vez usando agujas de coser sostenidas contra las sondas de su multímetro. Una vez más, si está por debajo de 2,5 V, tírelo a la basura y considere mantener el circuito de protección, ¡podría resultar útil más adelante! Además, sea razonable: si ha desarmado la batería de una computadora portátil, donde dos secciones están a 3,5 V y una a 3 V, es mejor que deseche la última.

La pérdida de capacidad significa que la celda se ha dañado y no desea utilizar una celda de LiIon dañada. Por ejemplo, los fabricantes de baterías para computadoras portátiles usan indicadores de daños en las celdas (sobredescarga, sobrecarga y sobrecalentamiento) como disparadores para apagar el controlador de la batería y bloquear toda la batería, y tiene sentido, ya que no quieren tener la responsabilidad. Incluso entonces, la pérdida de capacidad severa general no suele considerarse un desencadenante de dicha protección. Dicho esto, si una batería tiene una capacidad inferior a la media para su tamaño o clasificación, tírela a la basura.

Cuando cargue la batería por primera vez después de liberarla de su host anterior, asegúrese de que no se caliente de manera notable; si lo hace, tírela a la basura. Después de cargar, mida el voltaje y anótelo. Va a disminuir gradualmente después de que dejes de cargar, pero no debería caer demasiado. Si cae más de 0,3 V desde donde estaba después de que dejó de cargar, o simplemente sigue cayendo y cayendo durante la semana, tírelo a la basura: los altos niveles de autodescarga generalmente van de la mano con la pérdida de capacidad.

Los riesgos de incendio con baterías de celdas de LiIon en casos de uso típicos de piratas informáticos son insignificantes. Después de todo, normalmente tenemos miles de celdas LiIon en nuestra vecindad general: considere todos los teléfonos, computadoras portátiles, automóviles eléctricos y similares, y funcionan de maravilla a largo plazo en miles de ciclos. Los incendios típicos de LiIon ocurren debido a daños mecánicos en la celda, negligencia severa de sus requisitos eléctricos y, en raras ocasiones, fallas en la fabricación. Habiendo aprendido a tratar bien sus celdas y tirarlas a la basura cuando sea necesario, está bien equipado para evitar que se produzcan incendios en las baterías. ¿Desea obtener más información sobre la seguridad contra incendios de las baterías de iones de litio específicamente? Nuestro colega ha hablado de eso en profundidad.

Cuando necesita deshacerse de una batería de iones de litio agotada o de baja calidad, ¿le preocupa comprensiblemente que sus terminales se acorten o que la celda se perfore después de tirarla a la basura? Buenas noticias: una batería completamente descargada está completamente a salvo de cualquier accidente, ya que ya no tiene energía interna para la combustión.

¿Cómo descargar completamente una celda? Primero, puede cortocircuitar los terminales de la celda con algo así como una resistencia de orificio pasante de 10 K y dejar que se descargue por completo. ¡Asegúrese de conectar a la celda y no a la salida del circuito de protección! Otra forma que he visto hacer a la gente es poner la celda (o un paquete completo) en agua salada y mantenerla allí por un tiempo; es mejor hacerlo al aire libre en un recipiente abierto. Esto puede sonar un poco raro, ¡pero hay muchas investigaciones científicas! [Nota del editor: ¡suena raro! Solo uso una resistencia.]

No siempre hemos estado bien equipados para manejar baterías de iones de litio. Solía ​​ser que los dispositivos de contenedores de gangas usaban dos diodos de una entrada de 5 V para "cargar" la batería, lo que resultaba en celdas de bolsa hinchadas e insatisfechas. Hoy en día, verá piratas informáticos y fabricantes que equipan sus dispositivos con baterías LiIon de izquierda a derecha, las placas de protección y los cargadores están siempre presentes, y las habilidades también deberían ser omnipresentes. Nunca deje de aprender y siempre estará equipado para hacer que sus proyectos sean más portátiles, infalibles y confiables.

La próxima vez, me gustaría hablar sobre detalles: quiero darle un libro de cocina amigable para los piratas informáticos con ejemplos de electrónica de batería LiIon que se pueden repetir fácilmente en casa. Hasta entonces, suelde un cable JST-PH en una celda de teléfono inteligente y conéctelo a la placa ESP32 que compró, ¡vea lo que le permite lograr!