Coin Cells: The Myth Miliamper Hour

¿Cuánto jugo metafórico hay en una batería de tipo botón? Resulta que esta pregunta aparentemente simple es imposible de responder, al menos sin ella. muchos de información adicional. El problema es que la energía utilizable total en una batería depende de cómo intente generar esa energía, y eso es especialmente cierto en el caso de las células.

Energizer especifica su 2032 a 0,2 mA

Por ejemplo, pregúntale a cualquier fabricante de las habituales baterías de litio de 3 V 2032, y te dirán que tiene 230 mAh. Esta cifra es esencialmente constante entre marcas y a través de celdas individuales, y si saca una constante de 0.2 mA de la batería, a temperatura y presión ambiente, obtendrá un poco más de las 1.150 horas esperadas antes de que caiga por debajo del umbral de voltaje arbitrario. . de 2.0 V. Tal como dice la lata.

¿Qué pasa si quieres hacer otra cosa con una pila de botón? LED de encendido durante una década? Saca toda la energía ahora e intentar arrancar un coche? Teníamos estos caprichos extremos en mente cuando creamos Coin Cell Challenge, pero incluso si solo desea hacer algo todos los días, como operar un nodo de sensor de radio de baja potencia durante más de un día, tendrá que aprender algo sobre la forma en que moneda las células se comportan en el mundo real. Y para hacer eso, deberá superar la clasificación de miliamperios. Veamos qué tan profundo es este agujero de conejo.

Energía y resistencia interna

Una batería de celda de moneda es básicamente un frasco de metal con una química construida para que un lado quiera ceder electrones y el otro lado quiera insertarlos. Podrías imaginar medir la capacidad calculando la cantidad de electrones que quieren intercambiar lugares antes de que su voluntad de moverse, medida en voltios, caiga por debajo de cierto umbral. Será un número grande, pero es por eso que tenemos el culombio, una unidad de carga equivalente a aproximadamente 6.24 x 1018 electrones. O puede usar el amperio, una medida de la corriente de carga igual a un culombio por segundo, y multiplicar por el tiempo para volver a la carga total. Un amperio son exactamente 3600 palomas.

Y no importa qué definición los físicos decidan que es primordial, un miliamperio hora no es una mala manera de pensar en la cantidad de carga en una celda de moneda. Para una celda de 230 mAh, probablemente obtendrá 460 horas con medio miliamperio de tracción, y probablemente también obtendrá algo cercano a 230 horas a 1 mA. ¿Pero obtendrás diez horas a 23 mA? 0,23 horas a 1 A? La respuesta es no". Muy pronto, la estimación de miliamperios hora se está fortaleciendo, y la razón es la resistencia interna.

230 mAh a 0,5 mA, pero 150 mAh a 3 mA

Las baterías son reacias a intercambiar demasiados electrones con demasiada rapidez, lo que se refleja como resistencia. Intente sacar demasiada corriente de la batería y obedece la ley de Ohm: . Para una resistencia interna constante, encontramos que el voltaje disminuye a medida que aumenta la corriente consumida. Tener una resistencia interna cero también significa que la batería perderá capacidad a corrientes más altas. Caducará más rápido no solo debido a la corriente más alta, sino también debido al calor adicional generado al exceder la resistencia interna: .

Por lo tanto, podrá extraer más energía total de la batería si la saca lentamente, rompiendo la conexión de miliamperios del multiplicador simple. No es casualidad que los fabricantes tiendan a estimar baterías con corrientes medias bastante bajas: de un quinto a medio miliamperio.

Pero hay dos arrugas más en la historia de la resistencia interna antes de que terminemos. Las baterías pueden soportar breves ráfagas de producción de corriente antes de que aumente la resistencia interna. De manera equivalente, pueden proporcionar ráfagas de cortocircuito antes de que el voltaje caiga a su valor de equilibrio. Esto significa que obtendrá más energía total de una batería si le da algo de tiempo para recuperarse entre pulsos de alta corriente. Este excelente documento técnico (PDF), escrito por personal de Nordic Semiconductor and Energizer, tiene excelentes datos experimentales. La comida es dejar reposar las baterías durante 25 ms o más entre pulsos, si puede evitarlo.

Finalmente, la resistencia interna también es función del estado de carga, siendo menor al principio y aumentando cuando se agota el suministro de electrones móviles de la batería. Al final de la capacidad nominal máxima de la batería, a medida que aumenta esta resistencia interna, es posible que simplemente no pueda extraer las corrientes pico de varios milímetros que antes eran factibles sin que el voltaje se debilitara y posiblemente oscureciera su dispositivo. Esto acorta aún más la vida útil para corrientes más altas.

Con esto concluye la lección sobre química física oblicua. Como puede ver, se requiere mucho para obtener el máximo rebote por onza de una celda de moneda; la evaluación de miliampora proviene de un uso simple que puede no estar relacionado en absoluto con su aplicación, y hay muchas recompensas del proyecto. Apostaríamos a que comportamientos aún más extraños se esconden en algunos rincones oscuros.

El largo plazo o el resplandor ardiente

Si desea aprovechar al máximo una celda de moneda, irá lento. Y si esa no es una opción, los patrones de corriente máxima con pausas más largas entre picos son casi tan buenos, pero debe considerar las interrupciones cerca del final de la vida útil de la batería. En cualquier caso, vale la pena tratar la capacidad nominal como un máximo que solo se especifica a la corriente nominal. Y si su objetivo es la confiabilidad, aún querrá hacer menos análisis y pruebas, y tenga en cuenta que los diferentes fabricantes especifican diferentes flujos nominales; asegúrese de consultar la hoja de datos. Por supuesto, lo que es mejor para la capacidad de la batería puede no ser adecuado para su proyecto, y hay algo que decir para que funcione, al diablo con la eficiencia.

Pero eso es lo que creemos que es divertido de trabajar con células monetarias. Proporcionan recursos muy limitados, por lo que cada elección es importante. El uso de pilas de botón lo obliga a concentrarse en su presupuesto de energía para no arrojar una batería recargable de iones de litio en una caja. Esperamos que las lecciones aprendidas en el patio de recreo con las celdas de dinero sean más ampliamente aplicables y que todos compartan lo que encuentren. Si encuentra algo divertido, introdúzcalo en el desafío o simplemente háganoslo saber.

  • kevinmkessler dice:

    "De manera equivalente, pueden proporcionar ráfagas de cortocircuito antes de que el voltaje caiga a su estado estable. Eso significa que obtendrá más energía total de una batería si le da algo de tiempo para recuperarse entre pulsos de alta corriente".

    Leí el PDF vinculado y no vi esto. En cada caso, las pruebas de corriente pulsada se comportaron peor que la corriente constante equivalente. De hecho, el resultado más extraño fue que las ráfagas de corriente en un período de 25 ms funcionaron mejor que las pruebas en un período de 75 ms, lo que es algo contrario a lo que dice esta cita.

    • Ted dice:

      ... lo que le sorprende por qué los redactores de los libros blancos no solo dejaron caer un condensador grande a través de la celda para promediar los pulsos de corriente. Supongo que el espacio y el costo son la respuesta, pero ciertamente podrías hacerlo.

      • jacques1956 dice:

        Un condensador no cambiaría nada, ya que la celda tendrá que recargar el condensador después del pulso. Solo crearía un retraso en el consumo de corriente de la celda. Ese cálculo es toda la energía gastada y un condensador no cambia lo que se acepta para agregar la corriente de salida del condensador a la energía gastada.

        • jacques1956 dice:

          corrección:
          ... además de agregar la corriente de escape del condensador a la energía gastada.

      • Dax dice:

        Las viejas celdas alcalinas de zinc-carbono tenían la propiedad de una alta resistencia interna, pero al mismo tiempo tenían un efecto de condensador electrolítico en el que la batería podía pulsarse a altas corrientes durante unos segundos y luego dejarse en reposo.

        De ahí el nombre "linterna": literalmente, encendería la luz porque no se quedaría encendida.

      • Chris dice:

        Consulte este artículo de Texas Instruments. Muestra cómo los condensadores pueden aumentar la vida útil de una batería de celda. http://www.ti.com/lit/wp/swra349/swra349.pdf

        El factor principal mitiga la carga explosiva de la batería y, por lo tanto, aumenta su vida útil incluso con pérdidas debidas a fugas del condensador.

    • Elliot Williams dice:

      Para un consumo promedio dado, las pérdidas I ^ 2R siempre favorecen la corriente constante, seguro. (El valor promedio es el minimizador de la suma de cuadrados).

      Si está pulsando, como en transmisiones de radio poco frecuentes, el hecho de que la resistencia interna aumente durante una escala de tiempo de 10-100 ms favorece pulsos más cortos. De acuerdo con la lectura de la química de mi profano, hay algunos electrones libres que simplemente se activan, pero una vez que se agotan, deben tener lugar algunas reacciones químicas más lentas para reponerlos.

      Los tiempos de reagrupación más largos (mantener constante una corriente de pulso) también parecen ayudar a la eficiencia, con el extraño problema que usted (y los autores) notan entre 25 y 75 ms. No lo considero significativo porque realmente no sabemos cuántas veces repitieron cada arreglo. (Parece solo un puñado.) Pero la tendencia está en sus datos, ¿verdad?

      En las pruebas de tiempo de recompensa, el flujo promedio a largo plazo varía, por lo que también tendrán diferentes tiempos de vida del reloj de pared. Pero multiplicar la corriente promedio por esa vida útil da la capacidad total, que en realidad es comparable.

      ¿Coincide eso con su lectura del periódico?

      • Dax dice:

        En algunos (¿la mayoría?) Tipos de baterías, las reacciones secundarias que ocurren en los electrodos provocan un rápido aumento de R en descarga prolongada, por lo que mientras que la parte I ^ 2 favorecerá una corriente constante, el efecto se compensa con una R baja al principio. de la descarga.

  • BillSF9c dice:

    Con un descanso de 75ms, para mantener el mismo dibujo general, hay que extraer más durante el resto del ciclo ... y resistir más resistencia interna.

    • Elliot Williams dice:

      Sin embargo, no intentan mantener constante el consumo medio. (Más alto es peor que más plano si mantiene una corriente promedio constante a través de arreglos, como se da cuenta).

      Las baterías con 25 ms en reposo caducan (un poco más) 3 veces más rápido que las que tienen 75 ms en reposo. Sin embargo, después de multiplicar el tiempo de la pared por la corriente promedio, se extrae toda la energía, y esto es más alto para las baterías con períodos de descanso más largos.

      • salec dice:

        ¿Quizás un tiempo total más largo hace que la autocarga sea más significativa en la suma total de pérdidas?

  • rnjacobs dice:

    Completamente ajeno al artículo, tengo que decir que realmente me divierte / me agrada el color ámbar en los gráficos de color gris oscuro.

    • Galane dice:

      Los colores tienen el aspecto de paleta predeterminado menos desagradable. ¿Quizás el próximo artículo con gráficos se hará en tonos cian y magenta, con blanco? 🙂

      • Elliot Williams dice:

        No completamente fuera de tema: mi pantalla de fondo es # 1A1A1A y el color de resaltado para una ventana activa es # F3BF10. Yo en realidad reside en el administrador de ventanas de esquema de color de La-Tecnologia.

        Los intentos de conseguir mi maldito # F3BF10 hasta ahora han fallado, pero todavía no me doy por vencido.

        Me gusta mucho la combinación de los colores HaD con detalles en blanco. Tengo que trabajar más en eso.

  • Adobe / Flash Hate dice:

    A veces, la vieja analogía del agua sigue siendo útil como ayuda educativa.
    Piense en la celda como algo similar a una esponja húmeda y en cómo la humedad se vierte en un lado, absorbiéndola / fluyendo a través de ella.
    Tal vez una simple ayuda visual para la mente, al menos.

América Aguilar
América Aguilar

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.