Cómo cebar las pilas

En muchos sentidos, una batería se comporta como un ser humano. Percibe la bondad que se le dispensa y responde a los cuidados que se le brindan. Es como si la pila tuviera sentimientos y correspondiera a la benevolencia otorgada. Pero hay excepciones, como sabrá cualquier padre que críe una familia, y la generosidad otorgada no siempre produce los beneficios esperados.

Para ser un buen custodio, hay que entender las necesidades básicas de una batería, una materia que no se enseña en la escuela. Esta sección enseña qué hacer cuando la pila es nueva, cómo darle el "alimento" adecuado y qué hacer cuando se aparta el pack durante un tiempo. El capítulo 7 también analiza las restricciones a la hora de viajar con baterías en avión y cómo deshacerse de ellas cuando ha pasado su vida útil.

Igual que no se puede predecir la esperanza de vida de una persona al nacer, tampoco podemos poner fecha a una batería. Algunas baterías viven hasta una edad muy avanzada, mientras que otras mueren jóvenes. La carga incorrecta, las cargas de descarga duras y la exposición al calor son los peores enemigos de la batería. Aunque hay formas de proteger una batería, la situación ideal no siempre es alcanzable. En este capítulo se explica cómo sacar el máximo partido a nuestras baterías.

Cebar una batería nueva
No todas las baterías recargables ofrecen la capacidad nominal cuando son nuevas, y requieren un formateo. Aunque esto se aplica a la mayoría de los sistemas de baterías, los fabricantes de baterías de iones de litio no están de acuerdo. Dicen que las de iones de litio están listas al nacer y no necesitan cebado. Aunque esto puede ser cierto, los usuarios han informado de algunos aumentos de capacidad mediante ciclos después de un largo almacenamiento.

"¿Cuál es la diferencia entre formatear y cebar?", se pregunta la gente. Ambas se ocupan de capacidades que no están optimizadas y que pueden mejorarse con el ciclado. El formateo completa el proceso de fabricación que se produce de forma natural durante el uso, cuando la batería se somete a ciclos. Un ejemplo típico son las baterías de plomo y níquel, que mejoran con el uso hasta que están completamente formateadas. El cebado, por otro lado, es un ciclo de acondicionamiento que se aplica como servicio para mejorar el rendimiento de la batería durante su uso o tras un almacenamiento prolongado. El cebado se aplica principalmente a las baterías de níquel.

Plomo ácido
El formateo de una batería de plomo-ácido se produce aplicando una carga, seguida de una descarga y una recarga. Esto se hace en la fábrica y se completa sobre el terreno como parte del uso regular. Los expertos aconsejan no forzar una batería nueva aplicándole descargas fuertes al principio, sino trabajarla gradualmente con descargas moderadas, como un atleta se entrena para levantar pesas o correr largas distancias. Esto, sin embargo, puede no ser posible con una batería de arranque en un vehículo y otros usos. Las baterías de plomo-ácido suelen alcanzar su capacidad máxima al cabo de 50 a 100 ciclos. La figura 1 ilustra la vida útil del plomo-ácido.

Vida útil del plomo ácido

Figura 1: Vida útil del plomo ácido
Es posible que una batería de plomo-ácido nueva no esté completamente formateada y sólo alcance su pleno rendimiento después de 50 ciclos o más. El formateo se produce durante el uso; no se recomienda realizar ciclos deliberados, ya que esto desgastaría la batería innecesariamente.

Las baterías de ciclo profundo alcanzan el 85% cuando son nuevas y aumentan hasta el 100%, o casi la capacidad total, cuando están completamente formateadas. Hay algunos valores atípicos que llegan al 65% cuando se prueban con un analizador de baterías. La pregunta es: "¿Se recuperarán estas pilas de bajo rendimiento y resistirán a sus hermanas más potentes cuando se formateen?". Un experto en baterías dice que "estas baterías mejorarán algo, pero son las primeras en fallar".

La función de una batería de arranque consiste en suministrar altas corrientes de carga para arrancar el motor, y este atributo está presente desde el principio sin necesidad de formatear y cebar. Para sorpresa de muchos automovilistas, la capacidad de una batería de arranque puede disminuir hasta un 30% y seguir arrancando el motor; sin embargo, una caída mayor puede dejar al conductor tirado una mañana. Véase también BU-904: Cómo medir la capacidad)

A base de níquel
Los fabricantes aconsejan cargar las baterías de níquel durante 16-24 horas cuando son nuevas y después de un almacenamiento prolongado. Esto permite que las celdas se adapten entre sí y alcancen el mismo nivel de carga. Una carga lenta también ayuda a redistribuir el electrolito para eliminar los puntos secos en el separador que podrían haberse desarrollado por gravitación.

Las baterías de níquel no siempre están completamente formateadas al salir de fábrica. La aplicación de varios ciclos de carga/descarga mediante el uso normal o con un analizador de baterías completa el proceso de formateo. El número de ciclos necesarios para alcanzar la plena capacidad varía según el fabricante de las pilas. Las pilas de calidad cumplen las especificaciones tras 5-7 ciclos, mientras que las alternativas de menor coste pueden necesitar 50 o más ciclos para alcanzar niveles de capacidad aceptables.

La falta de formato causa un problema cuando el usuario espera que una batería nueva funcione a plena capacidad nada más sacarla de la caja. Las organizaciones que utilizan baterías para aplicaciones de misión crítica deben verificar el rendimiento mediante un ciclo de descarga/carga como parte del control de calidad. El programa "prime" de los analizadores de baterías automatizados (Cadex) aplica tantos ciclos como sean necesarios para alcanzar la plena capacidad.

El ciclado también restaura la capacidad perdida cuando una batería de níquel ha estado almacenada durante unos meses. El tiempo de almacenamiento, el estado de carga y la temperatura a la que se almacena la batería determinan la facilidad de recuperación. Cuanto mayor sea el tiempo de almacenamiento y la temperatura, más ciclos serán necesarios para recuperar toda la capacidad. Los analizadores de baterías ayudan en las funciones de cebado y garantizan que se ha alcanzado la capacidad deseada.

Ión de litio
Algunos usuarios de baterías insisten en que se desarrolla una capa de pasivación en el cátodo de una célula de iones de litio tras su almacenamiento. También conocida como película protectora interfacial (IPF), se dice que esta capa restringe el flujo de iones, causa un aumento de la resistencia interna y, en el peor de los casos, provoca el enchapado del litio. Se sabe que la carga, y más efectivamente los ciclos, disuelven la capa y algunos usuarios de baterías afirman haber ganado tiempo de funcionamiento extra tras el segundo o tercer ciclo en un smartphone, aunque por una pequeña cantidad.

Los científicos no comprenden del todo la naturaleza de esta capa, y los pocos recursos publicados sobre este tema sólo especulan con que el restablecimiento del rendimiento con los ciclos está relacionado con la eliminación de la capa de pasivación. Algunos científicos niegan rotundamente la existencia de la IPF, afirmando que la idea es altamente especulativa e incoherente con los estudios existentes. Sea cual sea el resultado sobre la pasivación del Li-ion, no existe ningún paralelismo con el efecto "memoria" de las baterías de NiCd, que requieren ciclos periódicos para evitar la pérdida de capacidad. Los síntomas pueden parecer similares, pero la mecánica es diferente. Tampoco se puede comparar el efecto con la sulfatación de las baterías de plomo-ácido.

Una capa bien conocida que se acumula en el ánodo es la interfaz de electrolito sólido (SEI). La SEI es un aislante eléctrico pero tiene suficiente conductividad iónica para permitir que la batería funcione con normalidad. Aunque la capa SEI reduce la capacidad, también protege la batería. Sin SEI, la Li-ion podría no tener la longevidad que tiene. (Véase BU-307: ¿Cómo funciona el electrolito?)

La capa SEI se desarrolla como parte de un proceso de formación y los fabricantes tienen mucho cuidado en hacerlo bien, ya que un trabajo por lotes puede causar una pérdida permanente de capacidad y un aumento de la resistencia interna. El proceso incluye varios ciclos, cargas de flotación a temperaturas elevadas y periodos de reposo que pueden durar varias semanas. Este periodo de formación también proporciona un control de calidad y ayuda a emparejar las células, así como a observar la autodescarga midiendo el voltaje de la célula tras un periodo de reposo. Una autodescarga elevada indica la presencia de impurezas como parte de un posible defecto de fabricación.

La oxidación electrolítica (OE) también se produce en el cátodo. Esto provoca una pérdida permanente de capacidad y aumenta la resistencia interna. No existe ningún remedio para eliminar la capa una vez formada, pero los aditivos del electrolito reducen el impacto. Mantener el Li-ion a un voltaje superior a 4,10V/célula a una temperatura elevada favorece la oxidación del electrolito. La observación de campo muestra que la combinación de calor y alto voltaje puede estresar el Li-ion más que los ciclos duros.

El ión-litio es un sistema muy limpio que no necesita cebado adicional una vez que sale de fábrica, ni requiere el nivel de mantenimiento que requieren las baterías basadas en níquel. El formateo adicional apenas supone diferencia porque la capacidad máxima está disponible desde el principio, (la excepción puede ser una pequeña ganancia de capacidad tras un almacenamiento prolongado). Una descarga completa no mejora la capacidad una vez que la pila se ha agotado: una capacidad baja señala el final de la vida útil. Una descarga/carga puede calibrar una batería "inteligente" pero esto hace poco para mejorar la batería química. (Véase BU-601: Funcionamiento interno de una batería inteligente.) Las instrucciones que recomiendan cargar una batería de ión-litio nueva durante 8 horas se consideran "de la vieja escuela", un vestigio de los viejos tiempos de las baterías de níquel.

Litio no recargable
Las baterías primarias de litio, como las de litio-cloruro de tionilo (LTC), se benefician de la pasivación en el almacenamiento. La pasivación es una fina capa que se forma como parte de una reacción entre el electrolito, el ánodo de litio y el cátodo de carbono. (Tenga en cuenta que el ánodo de una batería de litio primaria es de litio y el cátodo es de grafito, al revés que las de Li-ion).

Sin esta capa, la mayoría de las baterías de litio no podrían funcionar porque el litio provocaría una rápida autodescarga y degradaría la batería rápidamente. Los científicos especializados en baterías afirman incluso que la batería explotaría sin la formación de capas de cloruro de litio y que la capa de pasivación es la responsable de la existencia de la batería y de su capacidad de almacenamiento durante 10 años.

La temperatura y el estado de carga favorecen la formación de la capa de pasivación. Un LTC totalmente cargado es más difícil de despasivar después de un almacenamiento prolongado que uno que se haya mantenido con poca carga. Aunque el LTC debe almacenarse a temperaturas bajas, la despasivación funciona mejor cuando está caliente, ya que el aumento de la conductividad térmica y la movilidad de los iones ayudan en el proceso.

PRECAUCIÓN No aplique tensión física ni calor excesivo a la batería. Las explosiones debidas a una manipulación descuidada han causado lesiones graves a trabajadores..
La capa de pasivación provoca un retardo de la tensión cuando se aplica por primera vez una carga a la batería, y la Figura 2 ilustra la caída y la recuperación con baterías afectadas por distintos niveles de pasivación. La batería A muestra una caída de tensión mínima, mientras que la batería C necesita tiempo para recuperarse.

Figura 2: Comportamiento de la tensión al aplicar una carga a una batería pasivada [1]
La batería A presenta una pasivación leve, la B tarda más en restaurarse y la C es la más afectada.
El LTC en dispositivos que consumen muy poca corriente, como un sensor para un peaje o un contador, puede desarrollar una capa de pasivación que puede provocar un mal funcionamiento, y el calor favorece ese crecimiento. Esto puede solucionarse a menudo añadiendo un condensador grande en paralelo con la batería. La batería, que ha desarrollado una gran resistencia interna, sigue siendo capaz de cargar el condensador para emitir los elevados impulsos ocasionales; el tiempo de espera intermedio se dedica a recargar el condensador.

Para ayudar en la prevención de la sulfatación durante el almacenamiento, algunas baterías de litio se envían con una resistencia de 36kΩ para servir como carga parásita. La baja corriente de descarga constante evita que la capa crezca demasiado, pero esto reducirá la vida de almacenamiento. Después de 2 años de almacenamiento con la resistencia de 36kΩ, se dice que las baterías aún tienen un 90 por ciento de capacidad. Otro remedio es acoplar un dispositivo que aplique pulsos de descarga periódicos durante el almacenamiento.

No todas las baterías primarias de litio se recuperan cuando se instalan en un dispositivo y se les aplica una carga. La corriente puede ser demasiado baja para invertir la pasivación. También es posible que el equipo rechace una batería pasivada por estar baja de carga o defectuosa. Muchas de estas baterías pueden prepararse con un analizador de baterías (Cadex) aplicando una carga controlada. A continuación, el analizador verifica el funcionamiento correcto antes de utilizar la batería en el campo.

La corriente de descarga necesaria para la despasivación es una tasa C de 1C a 3C (de 1 a 3 veces la capacidad nominal). La tensión de la célula debe recuperarse hasta 3,2 V al aplicar la carga; el tiempo de servicio suele ser de 20 segundos. El proceso puede repetirse, pero no debe durar más de 5 minutos. Con una carga de 1C, la tensión de una célula que funcione correctamente debe mantenerse por encima de 3,0V. Una caída por debajo de 2,7 V significa el final de la vida útil. (Véase BU-106: Pilas primarias)

Estas baterías de litio-metal tienen un alto contenido de litio y deben seguir unos requisitos de envío más estrictos que las de Li-ion del mismo Ah. (Véase BU-704a: Envío de baterías de litio por vía aérea) Debido a la alta energía específica, se debe tener especial cuidado al manipular estas pilas.