Notas técnicas desde la fábrica de celdas

Cuando un comprador especifica una celda 18650 para un taladro inalámbrico, la primera pregunta casi siempre es la capacidad. Y es también la menos informativa. Una celda de 2.000 mAh nominales que no puede sostener la corriente que exige la herramienta disparará antes el sistema de protección que una celda de 1.500 mAh capaz de hacerlo.

El parámetro que decide si una herramienta funciona es la corriente de descarga continua, medida frente a la resistencia interna de la celda. Una celda con 25 mΩ de resistencia interna sufrirá una caída de tensión mucho menor bajo carga que otra con 60 mΩ, y disipará además menos calor al hacerlo. El calor es lo que mata las celdas en las herramientas: una celda que trabaja caliente envejece rápido y pierde capacidad mucho antes de que la herramienta se retire de servicio.

La segunda decisión es la química y el formato, siempre juntos. Las celdas con base de manganeso, como las familias IMR e INR que fabricamos, intercambian densidad de energía punta por coste, seguridad y estabilidad bajo carga, que es exactamente el equilibrio que busca un fabricante de herramientas. En formato 18650, una INR18650-2000P5.0 con base de manganeso entrega 2.000 mAh a una descarga continua de 5,0C y 20 mΩ de resistencia interna, una combinación adecuada para herramientas de alto par donde el peso y el coste ya están presionados.

La tercera decisión es el rango de temperatura. Una herramienta usada en un taller a 5 °C o en un jardín a 35 °C no verá el mismo rendimiento que otra sobre un banco a 25 °C. Pida al proveedor la capacidad y el rendimiento de descarga en los extremos de temperatura de su mercado, no a 25 °C, y compruebe si la cifra publicada se midió con un descanso entre ciclos.

Por último, confirme que la celda que compra es realmente la celda que va en el pack. Clasificar por capacidad, tensión y resistencia interna antes del montaje es lo que hace que los packs de varias celdas se comporten de forma consistente. Un pack montado con celdas desiguales siempre lo determina su celda más débil, y en una herramienta de alta demanda esa celda más débil es además la más caliente.

En Minmetals East clasificamos cada celda por OCV, capacidad y resistencia interna antes de que salga de la línea, de modo que las celdas que llegan a su montaje están emparejadas por los criterios que realmente importan en el uso real.

Una ficha técnica indica lo que una celda puede hacer, pero solo si se leen las notas al pie. Las tres cifras que gobiernan la mayoría de las decisiones de compra —capacidad nominal en mAh, energía en Wh y vida en ciclos nominal— se citan cada una bajo condiciones que a menudo no aparecen en la tabla resumen.

La capacidad nominal se mide descargando a una tasa declarada, normalmente 0,2C o 0,5C, hasta una tensión de corte declarada. La misma celda puede mostrar una capacidad sensiblemente distinta a 0,2C que a 1C, porque la resistencia interna convierte parte de la carga en calor. Por eso comparar dos celdas citadas a tasas distintas induce a error: la celda de tasa menor no es «mejor», simplemente se mide en condiciones más fáciles.

La energía en Wh es la cifra más útil para el diseño de dispositivos, porque es comparable entre tamaños. Una INR18650 de 2.600 mAh a 3,7 V nominal almacena 9,62 Wh; una 18650 de 1.500 mAh almacena 5,55 Wh. En un dispositivo que debe funcionar ocho horas con dos celdas, los Wh —no los mAh— determinan si el requisito se cumple.

La vida en ciclos es la cifra que más se cita y menos se contextualiza. Una celda con 500 ciclos a 0,2C, 25 °C y 80 % de profundidad de descarga puede entregar muchos menos en un producto real, especialmente si el dispositivo se calienta o rara vez se descarga del todo. Pida expresamente la vida en ciclos a la temperatura y la profundidad de descarga de su aplicación, y pregunte si la prueba incluía un descanso entre ciclos.

Por último, anote la tensión de corte. Una celda cotizada a 2,75 V de corte y otra a 3,0 V no son intercambiables, y emparejarlas en el mismo pack significa que la de 3,0 V determina la autonomía y es la que sufre el abuso. Igualar la tensión de corte dentro de un pack forma parte de lo que nuestro proceso de clasificación garantiza.

Si desea que revisemos una ficha técnica frente a su aplicación, envíenos el perfil de carga y el rango de temperatura. Le diremos qué modelos encajan y cuáles no.

Las exportaciones de celdas de litio fracasan por una razón más que por ninguna otra: la documentación se trata como un paquete único cuando en realidad son tres sistemas independientes, cada uno con su propio alcance.

El primero es el transporte. Las pruebas UN38.3 verifican la capacidad de la celda para soportar las exigencias del transporte, y el resumen de las pruebas es lo que el transportista exige antes de aceptar un contenedor. Esto se aplica a toda celda de litio que sale de China, con independencia del mercado de destino o del uso final. Es una exigencia de transporte, no de producto.

El segundo es la homologación de producto del mercado de destino. En la Unión Europea, una batería puesta en el mercado debe cumplir la Directiva de Baterías de la UE, y la legislación aplicable se ha endurecido notablemente en los últimos años, con requisitos de debida diligencia, declaración de huella de carbono y pasaporte digital de batería que se aplican por fases. En Japón se aplica PSE; en India, BIS; en Estados Unidos, UL 1642 bajo el programa de certificación voluntario reconocido, exigido a menudo por el minorista o el cliente final más que por la ley.

El tercero es el marco ambiental y químico del destino: RoHS para sustancias restringidas y REACH para sustancias de muy alta preocupación en la Unión Europea. Estos se aplican a la celda y, según la configuración, también al pack.

Hay una cuarta categoría, práctica, que sorprende a los exportadores: lo que exigen el minorista, el cliente OEM o la aseguradora, aunque la ley no lo exija. Muchos compradores europeos y norteamericanos no aceptan a un proveedor que no pueda entregar un informe de prueba completo del modelo exacto que se está enviando.

Minmetals East cuenta actualmente con UL 1642, BIS, PSE, un certificado CB de la IEC 62133, REACH, RoHS, la Directiva de Baterías de la UE y la certificación de transporte UN38.3, además de las certificaciones ISO 9001 e ISO 14001. El paquete documental de un modelo y destino determinados se prepara antes de la producción, no después de una consulta aduanera.

Si va a abrir un nuevo mercado de destino, comuníquenos el país y la aplicación con antelación. Le confirmaremos qué homologaciones necesita el modelo y qué ensayos adicionales son necesarios.

Un pack de cuatro celdas idénticas no se comporta como una celda cuatro veces mayor. La razón es que en serie, la tensión del pack es la suma de las tensiones de las celdas, y la autonomía del pack termina cuando la primera celda alcanza su tensión de corte, no cuando llega a ella la celda promedio.

Considere dos celdas de 2.000 mAh de capacidad idéntica, una con 20 mΩ de resistencia interna y otra con 60 mΩ. Bajo una demanda de corriente alta, la celda de mayor resistencia presenta una caída de tensión mayor con el mismo estado de carga. Llega por tanto a la tensión de corte conservando aún una parte sustancial de su propia capacidad, y la energía útil de todo el pack se reduce a lo que esa celda todavía puede entregar.

Por eso el emparejamiento de celdas no es un paso de producción cosmético. Clasificar solo por OCV y capacidad no encuentra la celda que más cae bajo carga: la distribución de la resistencia interna tiene que medirse y utilizarse para el emparejamiento. Nuestra etapa de clasificación mide capacidad, tensión y resistencia interna de cada celda precisamente para poder montar packs emparejados.

Hay un efecto de segundo orden que conviene considerar: el calor. La energía disipada en una celda durante una descarga de alta corriente es proporcional a I²R. Duplique la resistencia y aproximadamente cuadruplique el calor generado en esa celda, mientras el resto del pack se mantiene frío. La celda que ya era la más débil se convierte en la más caliente, y el calor acelera la degradación. Este es un patrón de fallo habitual en herramientas inalámbricas y en iluminación de alta potencia.

La orientación práctica es sencilla. Especifique una resistencia interna máxima, no solo una capacidad, y pida al proveedor que indique las condiciones de medición. Pregunte cómo se emparejan las celdas antes del montaje del pack. Y si monta los packs en campo y no en una fábrica controlada, valore si las celdas deben clasificarse también en el montaje.

Publicamos la resistencia interna de cada modelo en nuestras tablas de parámetros técnicos, medida en la primera calidad. Si su diseño de pack tiene un presupuesto de resistencia objetivo, podemos indicarle si nuestro catálogo actual lo cumple.

El óxido de manganeso y litio —conocido habitualmente como LMO, e identificado con la M de nuestras referencias IMR— se considera con frecuencia una química heredada superada por el níquel-manganeso-cobalto. Para ciertas categorías de producto, esa convicción es errónea.

La primera consideración es el margen de seguridad. El LMO presenta una mayor estabilidad térmica que las químicas con alto contenido en níquel y, en la familia IMR con base de manganeso, trabajamos con un sistema de electrodos que resiste el fenómeno de runaway asociado a los cátodos ricos en níquel. En un producto de consumo donde la celda convive en una carcasa de plástico junto a la mano del usuario, en un bolso o en un juguete infantil, ese margen merece pagarse.

La segunda consideración es el coste, y no es marginal. El LMO no contiene cobalto ni níquel en el cátodo. Para productos que no necesitan la densidad de energía de una celda con alto níquel —y muchos no la necesitan— una celda con base de manganeso elimina del coste de materiales dos de las materias primas más volátiles y más sometidas a escrutinio. Eso pesa cada vez más para las marcas europeas y norteamericanas que trabajan contra los requisitos de debida diligencia de la cadena de suministro.

La tercera consideración es el comportamiento en ciclos. En general, las celdas de LMO ofrecen una buena vida en ciclos a profundidades de descarga moderadas y conservan bien su capacidad en aplicaciones de ciclo superficial y frecuente: iluminación, audio, cuidado personal y pequeños electrodomésticos.

Lo que la química con base de manganeso no hace es maximizar los Wh/kg en el paquete más pequeño posible. Si un dispositivo tiene una restricción volumétrica dura y un requisito de autonomía duro, una celda con alto níquel puede ser la única forma de encajarla. Esa es una razón legítima para elegir NMC, y no vamos a fingir lo contrario.

La posición honesta es que la mayoría de los dispositivos de consumo no necesitan la densidad energética que ofrece el NMC, mientras que sí necesitan las ventajas de coste, seguridad y cadena de suministro que aporta la química con manganeso. Para esos dispositivos, el LMO sigue siendo la elección de ingeniería más sensata.

Fabricamos las dos familias de celdas con base de manganeso —IMR para manganeso estándar e INR para manganeso de alta capacidad— y somos nosotros mismos los que producimos el material catódico LMO, de modo que la calidad del material activo está bajo nuestro control.

Ninguna celda de ion-litio de consumo puede quedar completamente libre de riesgo de runaway térmico. Un proveedor serio no finge lo contrario: controla lo que puede controlar, lo documenta y dice con claridad al diseñador del pack lo que queda en sus manos.

Lo que controla el proveedor de celdas empieza por el material activo. El control de la química del cátodo, de la morfología de las partículas y de la consistencia del recubrimiento del electrodo tiene un efecto directo sobre la temperatura a la que una celda empieza a ventear. Esta es una de las razones por las que producimos nuestro propio material catódico LMO en lugar de comprarlo: la especificación del polvo y la del electrodo forman un proceso continuo, y una ruptura en esa cadena se manifiesta como un cambio en el comportamiento de la celda.

A continuación viene el control de fabricación. La uniformidad del espesor del electrodo, la eliminación de partículas de la superficie durante la limpieza, la ausencia de residuos de soldadura y contaminación metálica, y el volumen correcto de electrolito afectan a la probabilidad de un cortocircuito interno. Nuestro proceso aplica comprobaciones automáticas en línea en las etapas de recubrimiento, devanado, llenado y clasificación, precisamente para que una desviación se detecte en la etapa donde se origina.

Luego está la clasificación. Los defectos internos que una celda no revelaría descargando a 0,2C pueden detectarse mediante clasificación de capacidad, tensión y resistencia bajo ensayo, y las celdas que quedan fuera de especificación se retiran en lugar de expedirse.

Lo que queda es responsabilidad del diseñador del pack: circuitry de protección, separación entre celdas, diseño de la salida de gases, protocolo de carga y gestión térmica del producto acabado. Ninguna celda compensa un cargador que carga por debajo del punto de congelación ni un pack que atrapa el calor.

Ensayamos el abuso térmico, la extrusión y el punzonado, la simulación de baja tensión y gran altitud, la niebla salina y los ciclos de temperatura y humedad con nuestros propios equipos, y compartimos los resúmenes de ensayo relevantes con su equipo de ingeniería a petición. Esa es la posición honesta: podemos hacer la celda tan segura como puede ser una celda de consumo y podemos documentarlo. El argumento final de seguridad pertenece al producto.