Batería eléctrica
Una batería eléctrica o pila es una fuente de energía eléctrica que consta de una o más celdas electroquímicas con conexiones externas para alimentar dispositivos eléctricos.
Cuando una batería está suministrando energía, su terminal positivo es el cátodo y su terminal negativo es el ánodo. El terminal marcado como negativo es la fuente de electrones que fluirán a través de un circuito eléctrico externo hacia el terminal positivo. Cuando una batería se conecta a una carga eléctrica externa, una reacción redox convierte los reactivos de alta energía en productos de menor energía y la diferencia de energía libre se envía al circuito externo como energía eléctrica. Históricamente, el término "batería" se refería específicamente a un dispositivo compuesto por múltiples celdas; sin embargo, el uso ha evolucionado para incluir dispositivos compuestos por una sola celda.
Las baterías primarias (de un solo uso o "desechables") se usan una vez y se desechan, ya que los materiales de los electrodos cambian irreversiblemente durante la descarga; un ejemplo común es la batería alcalina utilizada para linternas y multitud de dispositivos electrónicos portátiles. Las baterías secundarias (recargables) se pueden descargar y recargar varias veces utilizando una corriente eléctrica aplicada; la composición original de los electrodos se puede restaurar por corriente inversa. Los ejemplos incluyen las baterías de plomo-ácido utilizadas en los vehículos y las baterías de iones de litio utilizadas para dispositivos electrónicos portátiles, como computadoras portátiles y teléfonos móviles.
Las baterías vienen en muchas formas y tamaños, desde celdas en miniatura que se utilizan para alimentar audífonos y relojes de pulsera hasta, en el extremo más grande, enormes bancos de baterías del tamaño de habitaciones que proporcionan energía de reserva o de emergencia para centrales telefónicas y centros de datos informáticos.
Las baterías tienen una energía específica mucho menor (energía por unidad de masa) que los combustibles comunes como la gasolina. En los automóviles, esto se compensa de alguna manera por la mayor eficiencia de los motores eléctricos en la conversión de energía eléctrica en trabajo mecánico, en comparación con los motores de combustión.
Historia
Invención
Se ha teorizado que la batería de Bagdad (c. 150 a. C.-650 d. C.) fue un dispositivo que contenía corriente eléctrica, pero esto no es concluyente.
Benjamin Franklin utilizó por primera vez el término "batería" en 1749 cuando estaba haciendo experimentos con electricidad utilizando un conjunto de condensadores de vaso de Leyden interconectados. Franklin agrupó varios de los frascos en lo que describió como una "batería", usando el término militar para las armas que funcionan juntas. Al multiplicar el número de recipientes de retención, se podría almacenar una carga más fuerte y habría más energía disponible en la descarga.
El físico italiano Alessandro Volta construyó y describió la primera batería electroquímica, la pila voltaica, en 1800. Se trataba de una pila de placas de cobre y zinc, separadas por discos de papel empapados en salmuera, que podían producir una corriente constante durante un período de tiempo considerable. Volta no entendió que el voltaje se debía a reacciones químicas. Pensó que sus celdas eran una fuente inagotable de energía y que los efectos de corrosión asociados en los electrodos eran una mera molestia, más que una consecuencia inevitable de su funcionamiento, como demostró Michael Faraday en 1834.
Aunque las primeras baterías eran de gran valor para fines experimentales, en la práctica sus voltajes fluctuaban y no podían proporcionar una gran corriente durante un período prolongado. La celda de Daniell, inventada en 1836 por el químico británico John Frederic Daniell, fue la primera fuente práctica de electricidad, convirtiéndose en un estándar de la industria y experimentando una adopción generalizada como fuente de energía para las redes de telégrafo eléctrico. Consistía en una olla de cobre llena de una solución de sulfato de cobre, en la que se sumergía un recipiente de barro sin esmaltar lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc.
Estas celdas húmedas usaban electrolitos líquidos, que eran propensos a fugas y derrames si no se manipulaban correctamente. Muchos usaban frascos de vidrio para guardar sus componentes, lo que los hacía frágiles y potencialmente peligrosos. Estas características hicieron que las celdas húmedas no fueran adecuadas para aparatos portátiles. Cerca del final del siglo XIX, la invención de las baterías de celda seca, que reemplazó el electrolito líquido con una pasta, hizo prácticos los dispositivos eléctricos portátiles.
Históricamente, las baterías en tubos de vacío usaban una celda húmeda para la batería "A" (para proporcionar energía al filamento) y una celda seca para la batería "B" (para proporcionar el voltaje de la placa).
Futuro
Entre 2010 y 2018, la demanda anual de baterías creció un 30 %, alcanzando un total de 180 Gwh en 2018. De manera conservadora, se espera que la tasa de crecimiento se mantenga en un 25 % estimado, culminando en una demanda que alcance los 2600 Gwh en 2030. Además, Se espera que las reducciones de costos aumenten aún más la demanda hasta 3562 GwH.
Las razones importantes de esta alta tasa de crecimiento de la industria de las baterías eléctricas incluyen la electrificación del transporte y el despliegue a gran escala en las redes eléctricas, respaldado por el cambio climático antropogénico impulsado por el alejamiento de las fuentes de energía de combustión de combustibles fósiles hacia fuentes más limpias y renovables. y regímenes de emisión más estrictos.
Las baterías eléctricas distribuidas, como las que se utilizan en los vehículos eléctricos de batería (vehicle-to-grid), y en el almacenamiento de energía en el hogar, con medición inteligente y que se conectan a redes inteligentes para responder a la demanda, son participantes activos en las redes inteligentes de suministro de energía. Los nuevos métodos de reutilización, como el uso escalonado de baterías parcialmente usadas, se suman a la utilidad general de las baterías eléctricas, reducen los costos de almacenamiento de energía y también reducen los impactos de contaminación/emisiones debido a una vida más larga. En el uso escalonado de baterías, las baterías eléctricas de vehículos cuya capacidad de batería se reduce a menos del 80%, generalmente después de un servicio de 5 a 8 años, se reutilizan para su uso como suministro de respaldo o para sistemas de almacenamiento de energía renovable.
El almacenamiento de energía a escala de red contempla el uso a gran escala de baterías para recolectar y almacenar energía de la red o de una central eléctrica y luego descargar esa energía en un momento posterior para proporcionar electricidad u otros servicios de red cuando sea necesario. El almacenamiento de energía a escala de red (ya sea llave en mano o distribuido) es un componente importante de las redes inteligentes de suministro de energía.
Química y principios
Las baterías convierten la energía química directamente en energía eléctrica. En muchos casos, la energía eléctrica liberada es la diferencia en las energías cohesivas o de enlace de los metales, óxidos o moléculas que experimentan la reacción electroquímica. Por ejemplo, la energía se puede almacenar en Zn o Li, que son metales de alta energía porque no están estabilizados por enlaces de electrones d, a diferencia de los metales de transición. Las baterías están diseñadas para que la reacción redox energéticamente favorable pueda ocurrir solo cuando los electrones se mueven a través de la parte externa del circuito.
Una batería consta de cierto número de celdas voltaicas. Cada celda consta de dos semiceldas conectadas en serie por un electrolito conductor que contiene cationes metálicos. Una media celda incluye electrolito y el electrodo negativo, el electrodo al que migran los aniones (iones cargados negativamente); la otra media celda incluye el electrolito y el electrodo positivo, al que migran los cationes (iones cargados positivamente). Los cationes se reducen (se agregan electrones) en el cátodo, mientras que los átomos de metal se oxidan (se eliminan electrones) en el ánodo. Algunas celdas usan electrolitos diferentes para cada media celda; luego se usa un separador para evitar que se mezclen los electrolitos mientras se permite que los iones fluyan entre las medias celdas para completar el circuito eléctrico.
Cada media celda tiene una fuerza electromotriz (fem, medida en voltios) relativa a un estándar. La fem neta de la celda es la diferencia entre las fem de sus semiceldas. Por lo tanto, si los electrodos tienen fem 
La fuerza motriz eléctrica o 
El voltaje desarrollado a través de los terminales de una celda depende de la liberación de energía de las reacciones químicas de sus electrodos y electrolitos. Las celdas alcalinas y de zinc-carbono tienen químicas diferentes, pero aproximadamente la misma fem de 1,5 voltios; Del mismo modo, las celdas de NiCd y NiMH tienen diferentes químicas, pero aproximadamente la misma fem de 1,2 voltios. Los cambios de alto potencial electroquímico en las reacciones de los compuestos de litio dan a las celdas de litio fem de 3 voltios o más.
Casi cualquier objeto líquido o húmedo que tenga suficientes iones para ser eléctricamente conductor puede servir como electrolito para una celda. Como novedad o demostración científica, es posible insertar dos electrodos de diferentes metales en un limón, patata, etc. y generar pequeñas cantidades de electricidad.
Se puede hacer una pila voltaica con dos monedas (como una moneda de cinco centavos y un centavo) y una toalla de papel sumergida en agua salada. Tal pila genera un voltaje muy bajo pero, cuando muchos se apilan en serie, pueden reemplazar las baterías normales por un corto tiempo.
Tipos
Baterías primarias y secundarias
Las baterías se clasifican en formas primarias y secundarias:
- Las baterías primarias están diseñadas para usarse hasta que se agoten y luego desecharse. Sus reacciones químicas generalmente no son reversibles, por lo que no se pueden recargar. Cuando se agota el suministro de reactivos en la batería, la batería deja de producir corriente y es inútil.
- Las baterías secundarias se pueden recargar; es decir, pueden invertir sus reacciones químicas aplicando corriente eléctrica a la celda. Esto regenera los reactivos químicos originales, por lo que se pueden usar, recargar y volver a usar varias veces.
Algunos tipos de baterías primarias utilizadas, por ejemplo, para circuitos telegráficos, se restauraron para funcionar reemplazando los electrodos. Las baterías secundarias no se pueden recargar indefinidamente debido a la disipación de los materiales activos, la pérdida de electrolitos y la corrosión interna.
Las baterías primarias, o celdas primarias, pueden producir corriente inmediatamente después del ensamblaje. Estos se usan más comúnmente en dispositivos portátiles que tienen un bajo consumo de corriente, se usan solo de manera intermitente o se usan muy lejos de una fuente de energía alternativa, como en circuitos de alarma y comunicación donde otra energía eléctrica solo está disponible de manera intermitente. Las celdas primarias desechables no se pueden recargar de manera confiable, ya que las reacciones químicas no son fácilmente reversibles y es posible que los materiales activos no vuelvan a sus formas originales. Los fabricantes de baterías recomiendan no intentar recargar las celdas primarias. En general, estas tienen densidades de energía más altas que las baterías recargables,pero las baterías desechables no funcionan bien en aplicaciones de alto consumo con cargas inferiores a 75 ohmios (75 Ω). Los tipos comunes de baterías desechables incluyen baterías de zinc-carbono y baterías alcalinas.
Baterías secundarias, también conocidas como celdas secundarias o baterías recargables, debe cargarse antes del primer uso; generalmente se ensamblan con materiales activos en estado descargado. Las baterías recargables se (re)cargan mediante la aplicación de corriente eléctrica, que invierte las reacciones químicas que se producen durante la descarga/uso. Los dispositivos para suministrar la corriente adecuada se denominan cargadores. La forma más antigua de batería recargable es la batería de plomo-ácido, que se usa ampliamente en aplicaciones automotrices y de navegación. Esta tecnología contiene electrolito líquido en un recipiente sin sellar, lo que requiere que la batería se mantenga en posición vertical y que el área esté bien ventilada para garantizar la dispersión segura del gas hidrógeno que produce durante la sobrecarga. La batería de plomo-ácido es relativamente pesada para la cantidad de energía eléctrica que puede suministrar. Su bajo costo de fabricación y sus altos niveles de sobrecorriente lo hacen común donde su capacidad (más de aproximadamente 10 Ah) es más importante que los problemas de peso y manejo. Una aplicación común es la batería de automóvil moderna, que puede, en general, entregar una corriente máxima de 450 amperios.
Composición
Se han producido muchos tipos de celdas electroquímicas, con diferentes diseños y procesos químicos, incluidas celdas galvánicas, celdas electrolíticas, celdas de combustible, celdas de flujo y pilas voltaicas.
Una batería de celda húmeda tiene un electrolito líquido. Otros nombres son celda inundada, ya que el líquido cubre todas las partes internas o celda ventilada., ya que los gases producidos durante el funcionamiento pueden escapar al aire. Las celdas húmedas fueron un precursor de las celdas secas y se usan comúnmente como una herramienta de aprendizaje para la electroquímica. Se pueden construir con suministros de laboratorio comunes, como vasos de precipitados, para demostraciones de cómo funcionan las celdas electroquímicas. Un tipo particular de celda húmeda conocida como celda de concentración es importante para comprender la corrosión. Las celdas húmedas pueden ser primarias (no recargables) o secundarias (recargables). Originalmente, todas las baterías primarias prácticas, como la celda Daniell, se construyeron como celdas húmedas de frasco de vidrio con la parte superior abierta. Otras celdas húmedas primarias son la celda de Leclanche, la celda de Grove, la celda de Bunsen, la celda de ácido crómico, la celda de Clark y la celda de Weston. La química de la celda de Leclanche se adaptó a las primeras celdas secas. Las celdas húmedas todavía se usan en baterías de automóviles y en la industria para energía de reserva para equipos de conmutación, telecomunicaciones o grandes fuentes de alimentación ininterrumpida, pero en muchos lugares se han usado baterías con celdas de gel en su lugar. Estas aplicaciones comúnmente usan celdas de plomo-ácido o níquel-cadmio. Las baterías de sal fundida son baterías primarias o secundarias que utilizan una sal fundida como electrolito. Operan a altas temperaturas y deben estar bien aislados para retener el calor.
Una celda secautiliza un electrolito en pasta, con solo la humedad suficiente para permitir que fluya la corriente. A diferencia de una celda húmeda, una celda seca puede funcionar en cualquier orientación sin derrames, ya que no contiene líquido libre, lo que la hace adecuada para equipos portátiles. En comparación, las primeras celdas húmedas eran típicamente recipientes de vidrio frágiles con varillas de plomo colgando de la parte superior abierta y necesitaban un manejo cuidadoso para evitar derrames. Las baterías de plomo-ácido no lograron la seguridad y portabilidad de la celda seca hasta el desarrollo de la batería de gel. Una pila seca común es la pila de zinc-carbón, a veces llamada pila seca de Leclanché, con un voltaje nominal de 1,5 voltios, igual que la pila alcalina (ya que ambas usan la misma combinación de zinc-dióxido de manganeso). Una celda seca estándar consta de un ánodo de zinc, generalmente en forma de recipiente cilíndrico, con un cátodo de carbono en forma de varilla central. El electrolito es cloruro de amonio en forma de pasta junto al ánodo de zinc. El espacio restante entre el electrolito y el cátodo de carbono es ocupado por una segunda pasta compuesta por cloruro de amonio y dióxido de manganeso, actuando este último como despolarizador. En algunos diseños, el cloruro de amonio se reemplaza por cloruro de zinc.
Una batería de reserva se puede almacenar sin ensamblar (sin activar y sin suministro de energía) durante un período prolongado (quizás años). Cuando se necesita la batería, entonces se ensambla (por ejemplo, agregando electrolito); una vez ensamblada, la batería está cargada y lista para funcionar. Por ejemplo, una batería para una espoleta de artillería electrónica podría activarse por el impacto de disparar un arma. La aceleración rompe una cápsula de electrolito que activa la batería y alimenta los circuitos de la espoleta. Las baterías de reserva generalmente están diseñadas para una vida útil corta (segundos o minutos) después de un almacenamiento prolongado (años). Una batería activada por agua para instrumentos oceanográficos o aplicaciones militares se activa al sumergirse en agua.
El 28 de febrero de 2017, la Universidad de Texas en Austin emitió un comunicado de prensa sobre un nuevo tipo de batería de estado sólido, desarrollada por un equipo dirigido por el inventor de la batería de iones de litio John Goodenough, "que podría conducir a una carga más rápida y segura". baterías recargables de mayor duración para dispositivos móviles de mano, coches eléctricos y almacenamiento de energía estacionario". También se dice que la batería de estado sólido tiene "tres veces la densidad de energía", aumentando su vida útil en los vehículos eléctricos, por ejemplo. También debería ser más ecológica, ya que la tecnología utiliza materiales menos costosos y respetuosos con el medio ambiente, como el sodio extraído del agua de mar. También tienen una vida mucho más larga.
Sony ha desarrollado una batería biológica que genera electricidad a partir del azúcar de forma similar a los procesos observados en los organismos vivos. La batería genera electricidad mediante el uso de enzimas que descomponen los carbohidratos.
La batería de plomo-ácido regulada por válvula sellada (batería VRLA) es popular en la industria automotriz como reemplazo de la celda húmeda de plomo-ácido. La batería VRLA utiliza un electrolito de ácido sulfúrico inmovilizado, lo que reduce la posibilidad de fugas y prolonga la vida útil. Las baterías VRLA inmovilizan el electrolito. Los dos tipos son:
- Las baterías de gel (o "células de gel") utilizan un electrolito semisólido.
- Las baterías de estera de fibra de vidrio absorbente (AGM) absorben el electrolito en una estera especial de fibra de vidrio.
Otras baterías recargables portátiles incluyen varios tipos de "celdas secas" selladas, que son útiles en aplicaciones tales como teléfonos móviles y computadoras portátiles. Las celdas de este tipo (en orden de densidad de potencia y costo crecientes) incluyen celdas de níquel-cadmio (NiCd), níquel-zinc (NiZn), hidruro metálico de níquel (NiMH) y celdas de iones de litio (Li-ion). Li-ion tiene, con mucho, la mayor participación en el mercado de baterías recargables de celda seca. NiMH ha reemplazado a NiCd en la mayoría de las aplicaciones debido a su mayor capacidad, pero NiCd sigue en uso en herramientas eléctricas, radios de dos vías y equipos médicos.
En la década de 2000, los desarrollos incluyen baterías con componentes electrónicos integrados como USBCELL, que permite cargar una batería AA a través de un conector USB, baterías de nanobolas que permiten una tasa de descarga aproximadamente 100 veces mayor que las baterías actuales y paquetes de baterías inteligentes con estado de carga. monitores y circuitos de protección de batería que evitan daños por sobredescarga. La autodescarga baja (LSD) permite que las celdas secundarias se carguen antes del envío.
Se utilizaron baterías de litio-azufre en el vuelo solar más largo y más alto.
Grados de consumo e industriales
Las baterías de todo tipo se fabrican en grado industrial y de consumo. Las baterías de grado industrial más costosas pueden usar productos químicos que proporcionen una mayor relación potencia-tamaño, tengan una autodescarga más baja y, por lo tanto, una vida más larga cuando no estén en uso, más resistencia a las fugas y, por ejemplo, capacidad para manejar la alta temperatura y la humedad asociadas. con esterilización médica en autoclave.
Combinación y gestión
Las pilas de formato estándar se insertan en el portapilas del dispositivo que las utiliza. Cuando un dispositivo no usa baterías de formato estándar, generalmente se combinan en un paquete de baterías personalizado que contiene varias baterías además de características como un sistema de administración de baterías y un aislador de baterías que aseguran que las baterías internas se carguen y descarguen de manera uniforme.
Tallas
Las baterías primarias fácilmente disponibles para los consumidores van desde diminutas celdas de botón que se usan para relojes eléctricos, hasta la celda No. 6 que se usa para circuitos de señales u otras aplicaciones de larga duración. Las celdas secundarias se fabrican en tamaños muy grandes; baterías muy grandes pueden alimentar un submarino o estabilizar una red eléctrica y ayudar a nivelar las cargas máximas.
A partir de 2017, Tesla construyó la batería más grande del mundo en el sur de Australia. Puede almacenar 129 MWh. Una batería en la provincia de Hebei, China, que puede almacenar 36 MWh de electricidad, se construyó en 2013 a un costo de $ 500 millones. Otra gran batería, compuesta por celdas de Ni-Cd, estaba en Fairbanks, Alaska. Cubría 2.000 metros cuadrados (22.000 pies cuadrados), más grande que un campo de fútbol, y pesaba 1.300 toneladas. Fue fabricado por ABB para proporcionar energía de respaldo en caso de un apagón. La batería puede proporcionar 40 MW de potencia durante un máximo de siete minutos. Se han utilizado baterías de sodio y azufre para almacenar energía eólica. Un sistema de batería de 4,4 MWh que puede generar 11 MW durante 25 minutos estabiliza la producción del parque eólico Auwahi en Hawái.
Comparación
Muchas propiedades importantes de las celdas, como el voltaje, la densidad de energía, la inflamabilidad, las construcciones de celdas disponibles, el rango de temperatura de funcionamiento y la vida útil, están dictadas por la química de la batería.
| Química | Ánodo (-) | Cátodo (+) | máx. voltaje, teórico (V) | Tensión nominal, práctica (V) | Energía específica (kJ/kg) | Elaboración | Vida útil a 25 °C, 80 % de capacidad (meses) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| zinc-carbono | zinc | C | 1.6 | 1.2 | 130 | Barato. | 18 |
| Cloruro de zinc | 1.5 | También conocido como "trabajo pesado", económico. | |||||
| Alcalino (zinc-dióxido de manganeso) | zinc | MnO2 _ | 1.5 | 1.15 | 400-590 | Densidad de energía moderada. Bueno para usos de drenaje alto y bajo. | 30 |
| Oxihidróxido de níquel (zinc-dióxido de manganeso/oxihidróxido de níquel) | 1.7 | Densidad de energía moderada. Bueno para usos de alto drenaje. | |||||
| Litio (litio-óxido de cobre) Li-CuO | li | CuO | 1.7 | Ya no se fabrica. Reemplazadas por baterías de óxido de plata (IEC-tipo "SR"). | |||
| Litio (disulfuro de litio-hierro) LiFeS 2 | li | FeS 2 | 1.8 | 1.5 | 1070 | Caro. Utilizado en baterías 'plus' o 'extra'. | 337 |
| Litio (dióxido de litio-manganeso) LiMnO 2 | li | MnO2 _ | 3.0 | 830–1010 | Caro. Se usa solo en dispositivos de alto drenaje o para una vida útil prolongada debido a la tasa muy baja de autodescarga. 'Litio' solo generalmente se refiere a este tipo de química. | ||
| Litio (fluoruro de litio-carbono) Li–(CF) n | li | (CF) norte | 3.6 | 3.0 | 120 | ||
| Litio (óxido de litio-cromo) Li-CrO 2 | li | CrO2 _ | 3.8 | 3.0 | 108 | ||
| Litio (litio-silicio) | Li 22 Si 5 | ||||||
| óxido de mercurio | zinc | HgO | 1.34 | 1.2 | Alto consumo y voltaje constante. Prohibido en la mayoría de los países debido a problemas de salud. | 36 | |
| zinc-aire | zinc | O 2 | 1.6 | 1.1 | 1590 | Se utiliza principalmente en audífonos. | |
| pila de zamboni | zinc | Ag o Au | 0.8 | Vida muy larga. Corriente muy baja (nanoamperios, nA) | >2,000 | ||
| Óxido de plata (plata-zinc) | zinc | Ag 2 O | 1.85 | 1.5 | 470 | Muy caro. Usado solo comercialmente en celdas de 'botón'. | 30 |
| Magnesio | magnesio | MnO2 _ | 2.0 | 1.5 | 40 |
| Química | Voltaje de celda | Energía específica (kJ/kg) | Densidad de energía (kJ/litro) | Comentarios |
|---|---|---|---|---|
| NiCd | 1.2 | 140 | Barato. Drenaje alto/bajo, densidad de energía moderada. Puede soportar velocidades de descarga muy altas prácticamente sin pérdida de capacidad. Tasa moderada de autodescarga. Peligro medioambiental debido al cadmio, uso ahora virtualmente prohibido en Europa. | |
| Plomo-ácido | 2.1 | 140 | Moderadamente caro. Densidad de energía moderada. Tasa moderada de autodescarga. Tasas de descarga más altas dan como resultado una pérdida considerable de capacidad. Peligro ambiental debido al plomo. Uso común: baterías de automóviles | |
| NiMH | 1.2 | 360 | Barato. Funciona mejor que las pilas alcalinas en dispositivos de alto consumo. La química tradicional tiene una alta densidad de energía, pero también una alta tasa de autodescarga. La química más nueva tiene una baja tasa de autodescarga, pero también una densidad de energía ~25% menor.Usado en algunos autos. | |
| NiZn | 1.6 | 360 | Moderadamente económico. Dispositivo de alto drenaje adecuado. Baja tasa de autodescarga. Voltaje más cercano a las celdas primarias alcalinas que otras celdas secundarias. Sin componentes tóxicos. Recién introducido al mercado (2009). Todavía no ha establecido un historial. Disponibilidad de tamaño limitado. | |
| AgZn | 1,86 1,5 | 460 | Volumen más pequeño que el Li-ion equivalente. Extremadamente caro debido a la plata. Muy alta densidad de energía. Muy alto drenaje capaz. Durante muchos años considerado obsoleto debido a los altos precios de la plata. La celda sufre oxidación si no se usa. Las reacciones no se entienden completamente. El voltaje del terminal es muy estable pero cae repentinamente a 1,5 voltios con una carga del 70 al 80% (se cree que se debe a la presencia de óxido argentoso y argentico en la placa positiva; uno se consume primero). Se ha utilizado en lugar de la batería principal (moon buggy). Se está desarrollando una vez más como reemplazo del Li-ion. | |
| LiFePO 4 | 3.3 3.0 | 360 | 790 | Química del litio-hierro-fosfato. |
| iones de litio | 3.6 | 460 | Muy caro. Muy alta densidad de energía. Por lo general, no está disponible en tamaños de batería "comunes". La batería de polímero de litio es común en computadoras portátiles, cámaras digitales, videocámaras y teléfonos celulares. Muy baja tasa de autodescarga. El voltaje terminal varía de 4,2 a 3,0 voltios durante la descarga. Volátil: posibilidad de explosión si se produce un cortocircuito, se permite que se sobrecaliente o no se fabrica con rigurosos estándares de calidad. |
Rendimiento, capacidad y caudal
Las características de una batería pueden variar durante el ciclo de carga, el ciclo de sobrecarga y la vida útil debido a muchos factores, incluidos la química interna, el consumo de corriente y la temperatura. A bajas temperaturas, una batería no puede entregar tanta potencia. Como tal, en climas fríos, algunos propietarios de automóviles instalan calentadores de batería, que son pequeñas almohadillas térmicas eléctricas que mantienen caliente la batería del automóvil.
La capacidad de una batería es la cantidad de carga eléctrica que puede entregar a la tensión nominal. Cuanto más material de electrodo contiene la celda, mayor es su capacidad. Una celda pequeña tiene menos capacidad que una celda más grande con la misma química, aunque desarrollan el mismo voltaje de circuito abierto.La capacidad se mide en unidades como amperios-hora (A·h). La capacidad nominal de una batería generalmente se expresa como el producto de 20 horas multiplicado por la corriente que una batería nueva puede suministrar constantemente durante 20 horas a 68 °F (20 °C), mientras permanece por encima de un voltaje de terminal especificado por celda. Por ejemplo, una batería de 100 A·h puede entregar 5 A durante un período de 20 horas a temperatura ambiente. La fracción de la carga almacenada que puede entregar una batería depende de múltiples factores, incluida la química de la batería, la velocidad a la que se entrega la carga (corriente), el voltaje terminal requerido, el período de almacenamiento, la temperatura ambiente y otros factores.
Cuanto mayor sea la tasa de descarga, menor será la capacidad. La relación entre la corriente, el tiempo de descarga y la capacidad de una batería de plomo ácido se aproxima (sobre un rango típico de valores de corriente) por la ley de Peukert:
donde 
Las baterías que se almacenan durante un período prolongado o que se descargan a una pequeña fracción de su capacidad pierden capacidad debido a la presencia de reacciones secundarias generalmente irreversibles.que consumen portadores de carga sin producir corriente. Este fenómeno se conoce como autodescarga interna. Además, cuando se recargan las baterías, pueden ocurrir reacciones secundarias adicionales, lo que reduce la capacidad para descargas posteriores. Después de suficientes recargas, en esencia se pierde toda la capacidad y la batería deja de producir energía. Las pérdidas de energía interna y las limitaciones en la velocidad a la que los iones pasan a través del electrolito hacen que la eficiencia de la batería varíe. Por encima de un umbral mínimo, la descarga a un ritmo bajo entrega más capacidad de la batería que a un ritmo más alto. La instalación de baterías con clasificaciones A·h variables no afecta el funcionamiento del dispositivo (aunque puede afectar el intervalo de funcionamiento) clasificado para un voltaje específico, a menos que se excedan los límites de carga. Las cargas de alto consumo, como las cámaras digitales, pueden reducir la capacidad total, como ocurre con las pilas alcalinas. Por ejemplo, una batería con una capacidad nominal de 2 A·h para una descarga de 10 o 20 horas no soportaría una corriente de 1 A durante dos horas completas, como implica su capacidad declarada.
La tasa C es una medida de la velocidad a la que se carga o descarga una batería. Se define como la corriente a través de la batería dividida por el consumo de corriente teórico bajo el cual la batería entregaría su capacidad nominal nominal en una hora.Tiene las unidades h. Debido a la pérdida de resistencia interna y los procesos químicos dentro de las celdas, una batería rara vez entrega la capacidad nominal nominal en solo una hora. Por lo general, la capacidad máxima se encuentra en una tasa C baja, y la carga o descarga a una tasa C más alta reduce la vida útil y la capacidad de una batería. Los fabricantes a menudo publican hojas de datos con gráficos que muestran la capacidad frente a las curvas de tasa C. La tasa C también se usa como clasificación de las baterías para indicar la corriente máxima que una batería puede entregar de manera segura en un circuito. Los estándares para baterías recargables generalmente clasifican la capacidad y los ciclos de carga durante un tiempo de descarga de 4 horas (0,25 C), 8 horas (0,125 C) o más. Tipos destinados a propósitos especiales, como en una fuente de alimentación ininterrumpida de computadora,
A partir de 2012, el fosfato de hierro y litio (LiFePO4) la tecnología de batería fue la de carga/descarga más rápida, descargándose completamente en 10 a 20 segundos.
Esperanza de vida
La vida útil de la batería (y su sinónimo, la vida útil de la batería) tiene dos significados para las baterías recargables, pero solo uno para las no recargables. Para los recargables, puede significar el tiempo que un dispositivo puede funcionar con una batería completamente cargada o la cantidad de ciclos de carga/descarga posibles antes de que las celdas dejen de funcionar satisfactoriamente. Para un no recargable, estas dos vidas son iguales ya que las celdas duran solo un ciclo por definición. (El término vida útil se usa para describir cuánto tiempo una batería mantendrá su rendimiento entre la fabricación y el uso). La capacidad disponible de todas las baterías disminuye con la disminución de la temperatura. A diferencia de la mayoría de las baterías actuales, la pila Zamboni, inventada en 1812, ofrece una vida útil muy larga sin reacondicionamiento ni recarga, aunque suministra corriente solo en el rango de nanoamperios.
Las baterías desechables normalmente pierden entre un 8 y un 20 por ciento de su carga original por año cuando se almacenan a temperatura ambiente (20 a 30 °C).Esto se conoce como tasa de "autodescarga" y se debe a reacciones químicas "laterales" que no producen corriente y que ocurren dentro de la celda incluso cuando no se aplica carga. La tasa de reacciones secundarias se reduce para las baterías almacenadas a temperaturas más bajas, aunque algunas pueden dañarse si se congelan. Las pilas recargables viejas se autodescargan más rápidamente que las pilas alcalinas desechables, especialmente las pilas de níquel; una batería de níquel cadmio (NiCd) recién cargada pierde el 10 % de su carga en las primeras 24 horas y luego se descarga a un ritmo de alrededor del 10 % al mes. Sin embargo, las baterías de hidruro metálico de níquel (NiMH) de baja autodescarga más nuevas y los diseños modernos de litio muestran una tasa de autodescarga más baja (pero aún más alta que para las baterías primarias).
El material activo de las placas de la batería cambia de composición química en cada ciclo de carga y descarga; el material activo puede perderse debido a cambios físicos de volumen, lo que limita aún más el número de veces que se puede recargar la batería. La mayoría de las baterías a base de níquel están parcialmente descargadas cuando se compran y deben cargarse antes del primer uso. Las baterías NiMH más nuevas están listas para usarse cuando se compran y solo se descargan un 15 % en un año.
Se produce cierto deterioro en cada ciclo de carga y descarga. La degradación generalmente ocurre porque el electrolito migra lejos de los electrodos o porque el material activo se desprende de los electrodos. Las baterías de NiMH de baja capacidad (1700–2000 mA·h) se pueden cargar unas 1000 veces, mientras que las baterías de NiMH de alta capacidad (más de 2500 mA·h) duran alrededor de 500 ciclos. Las baterías de NiCd tienden a tener una capacidad nominal de 1000 ciclos antes de que su resistencia interna aumente permanentemente más allá de los valores utilizables. La carga rápida aumenta los cambios de componentes, acortando la vida útil de la batería. Si un cargador no puede detectar cuando la batería está completamente cargada, es probable que se esté sobrecargando y dañándola.
Las celdas de NiCd, si se usan de una manera repetitiva particular, pueden mostrar una disminución en la capacidad llamada "efecto memoria". El efecto se puede evitar con prácticas sencillas. Las células de NiMH, aunque similares en química, sufren menos el efecto memoria.
Las baterías recargables de plomo-ácido para automóviles deben soportar el estrés debido a la vibración, los golpes y el rango de temperatura. Debido a estas tensiones y la sulfatación de sus placas de plomo, pocas baterías automotrices duran más de seis años de uso regular. Las baterías de arranque automotriz (SLI: arranque, iluminación, encendido) tienen muchas placas delgadas para maximizar la corriente. En general, cuanto más gruesas son las placas, mayor es la vida útil. Por lo general, se descargan solo un poco antes de recargarse. Las baterías de plomo-ácido de "ciclo profundo", como las que se usan en los carritos de golf eléctricos, tienen placas mucho más gruesas para prolongar la vida útil.El principal beneficio de la batería de plomo-ácido es su bajo costo; sus principales inconvenientes son el gran tamaño y peso para una determinada capacidad y tensión. Las baterías de plomo-ácido nunca deben descargarse por debajo del 20 % de su capacidad, ya que la resistencia interna causará calor y daños cuando se recarguen. Los sistemas de plomo-ácido de ciclo profundo a menudo usan una luz de advertencia de carga baja o un interruptor de corte de energía de carga baja para evitar el tipo de daño que acortará la vida útil de la batería.
La vida útil de las baterías se puede prolongar almacenándolas a baja temperatura, como en un refrigerador o congelador, lo que ralentiza las reacciones secundarias. Dicho almacenamiento puede prolongar la vida útil de las pilas alcalinas en aproximadamente un 5 %; Las baterías recargables pueden mantener su carga por mucho más tiempo, según el tipo. Para alcanzar su voltaje máximo, las baterías deben volver a estar a temperatura ambiente; descargar una batería alcalina a 250 mA a 0 °C es solo la mitad de eficiente que a 20 °C. Los fabricantes de pilas alcalinas como Duracell no recomiendan refrigerar las pilas.
Peligros
La explosión de una batería generalmente es causada por un uso indebido o un mal funcionamiento, como intentar recargar una batería primaria (no recargable) o un cortocircuito.
Cuando una batería se recarga a un ritmo excesivo, se puede producir una mezcla de gas explosiva de hidrógeno y oxígeno más rápido de lo que puede escapar del interior de la batería (por ejemplo, a través de un respiradero incorporado), lo que lleva a la acumulación de presión y al estallido final de la batería. la caja de la batería. En casos extremos, los productos químicos de la batería pueden salpicar violentamente la carcasa y causar lesiones. Un resumen experto del problema indica que este tipo utiliza "electrólitos líquidos para transportar iones de litio entre el ánodo y el cátodo. Si una celda de la batería se carga demasiado rápido, puede provocar un cortocircuito que provoque explosiones e incendios".Es más probable que las baterías de los automóviles exploten cuando un cortocircuito genera corrientes muy grandes. Estas baterías producen hidrógeno, que es muy explosivo, cuando se sobrecargan (debido a la electrólisis del agua en el electrolito). Durante el uso normal, la cantidad de sobrecarga suele ser muy pequeña y genera poco hidrógeno, que se disipa rápidamente. Sin embargo, cuando "arranca con puente" un automóvil, la alta corriente puede provocar la liberación rápida de grandes volúmenes de hidrógeno, que pueden encenderse explosivamente por una chispa cercana, por ejemplo, al desconectar un cable de puente.
La sobrecarga (intentar cargar una batería más allá de su capacidad eléctrica) también puede provocar una explosión de la batería, además de fugas o daños irreversibles. También puede causar daños al cargador o al dispositivo en el que se utilice posteriormente la batería sobrecargada.
La eliminación de una batería mediante la incineración puede causar una explosión ya que se acumula vapor dentro de la caja sellada.
Muchos químicos de las baterías son corrosivos, venenosos o ambos. Si se produce una fuga, ya sea espontáneamente o por accidente, los productos químicos liberados pueden ser peligrosos. Por ejemplo, las baterías desechables a menudo usan una "lata" de zinc como reactivo y como recipiente para contener los otros reactivos. Si este tipo de batería se descarga en exceso, los reactivos pueden salir a través del cartón y el plástico que forman el resto del contenedor. La fuga de sustancias químicas activas puede dañar o inutilizar el equipo alimentado por las baterías. Por esta razón, muchos fabricantes de dispositivos electrónicos recomiendan quitar las baterías de los dispositivos que no se utilizarán durante largos períodos de tiempo.
Muchos tipos de baterías emplean materiales tóxicos como plomo, mercurio y cadmio como electrodo o electrolito. Cuando cada batería llega al final de su vida útil, debe desecharse para evitar daños al medio ambiente. Las baterías son una forma de desechos electrónicos (e-waste). Los servicios de reciclaje de desechos electrónicos recuperan sustancias tóxicas, que luego pueden usarse para baterías nuevas. De los casi tres mil millones de baterías que se compran anualmente en los Estados Unidos, unas 179 000 toneladas terminan en los vertederos de todo el país.
Las baterías pueden ser dañinas o fatales si se tragan. Las pilas de botón pequeñas pueden ser tragadas, en particular por los niños pequeños. Mientras está en el tracto digestivo, la descarga eléctrica de la batería puede provocar daños en los tejidos; tales daños son ocasionalmente graves y pueden provocar la muerte. Las baterías de disco ingeridas no suelen causar problemas a menos que se alojen en el tracto gastrointestinal. El lugar más común donde las baterías de disco se alojan es el esófago, lo que produce secuelas clínicas. Es poco probable que las baterías que atraviesan con éxito el esófago se alojen en otro lugar. La probabilidad de que una batería de disco se aloje en el esófago depende de la edad del paciente y del tamaño de la batería. Pilas de disco de 16 mm se han alojado en el esófago de 2 niños menores de 1 año. Los niños mayores no tienen problemas con pilas de menos de 21–23 mm. La necrosis por licuefacción puede ocurrir porque el hidróxido de sodio es generado por la corriente producida por la batería (generalmente en el ánodo). La perforación ha ocurrido tan rápidamente como 6 horas después de la ingestión.
Legislación y regulación
La legislación en torno a las baterías eléctricas incluye temas como la eliminación y el reciclaje seguros.
En los Estados Unidos, la Ley de Gestión de Baterías Recargables y que Contienen Mercurio de 1996 prohibió la venta de baterías que contienen mercurio, promulgó requisitos uniformes de etiquetado para las baterías recargables y exigió que las baterías recargables fueran fácilmente extraíbles. California y la ciudad de Nueva York prohíben el desecho de baterías recargables en los desechos sólidos. La industria de baterías recargables opera programas de reciclaje a nivel nacional en los Estados Unidos y Canadá, con puntos de entrega en los minoristas locales.
La Directiva sobre baterías de la Unión Europea tiene requisitos similares, además de exigir un mayor reciclaje de baterías y promover la investigación sobre métodos mejorados de reciclaje de baterías. De acuerdo con esta directiva, todas las baterías que se vendan dentro de la UE deben estar marcadas con el "símbolo de recolección" (un contenedor con ruedas tachado). Esta debe cubrir al menos el 3% de la superficie de las pilas prismáticas y el 1,5% de la superficie de las pilas cilíndricas. Todos los embalajes deben estar marcados de la misma manera.
En respuesta a accidentes y fallas informados, ocasionalmente ignición o explosión, los retiros del mercado de dispositivos que usan baterías de iones de litio se han vuelto más comunes en los últimos años.
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