Batería recargable

Un banco de batería utilizado para una fuente de alimentación ininterrumpida en un centro de datos

Batería móvil de polímero de litio recargable

Un cargador de batería de consumo común para baterías recargables AA y AAA

Una batería recargable, batería de almacenamiento o pila secundaria (formalmente un tipo de acumulador de energía) es un tipo de batería eléctrica que se puede cargar, descargar en una carga y recargar muchas veces, a diferencia de una batería primaria o desechable, que se suministra completamente cargada y se desecha después de su uso. Está compuesto por una o más celdas electroquímicas. El término "acumulador" se utiliza ya que acumula y almacena energía a través de una reacción electroquímica reversible. Las baterías recargables se producen en muchas formas y tamaños diferentes, desde pilas de botón hasta sistemas de megavatios conectados para estabilizar una red de distribución eléctrica. Se utilizan varias combinaciones diferentes de materiales de electrodos y electrolitos, incluidos plomo-ácido, zinc-aire, níquel-cadmio (NiCd), hidruro de níquel-metal (NiMH), iones de litio (Li-ion), fosfato de hierro y litio (LiFePO4) y polímero de iones de litio (polímero de iones de litio).

Las baterías recargables normalmente cuestan inicialmente más que las baterías desechables, pero tienen un costo total de propiedad y un impacto ambiental mucho más bajos, ya que se pueden recargar de manera económica muchas veces antes de que sea necesario reemplazarlas. Algunos tipos de baterías recargables están disponibles en los mismos tamaños y voltajes que los tipos desechables y se pueden usar indistintamente con ellos. Se están invirtiendo miles de millones de dólares en investigación en todo el mundo para mejorar las baterías y la industria también se enfoca en construir mejores baterías. Algunas características de la batería recargable se dan a continuación:

1. En las baterías recargables, la energía se induce aplicando una fuente externa a las sustancias químicas.
2. La reacción química que ocurre en ellos es reversible.
3. La resistencia interna es comparativamente baja.
4. Tienen una alta tasa de auto-descarga comparativamente.
5. Tienen un diseño voluminoso y complejo.
6. Tienen un alto valor de revender.

Aplicaciones

Celda cilíndrica (18650) antes del montaje. Varios miles de ellos (lithium ion) forman la batería Tesla Model S (ver Gigafactory).

Electrónica de monitoreo de baterías de iones de litio (protección de exceso y descarga)

Baterias de iones de litio bloqueados, posiblemente dañadas por electrónica de monitoreo defectuoso

Los dispositivos que utilizan baterías recargables incluyen arrancadores de automóviles, dispositivos de consumo portátiles, vehículos ligeros (como sillas de ruedas motorizadas, carros de golf, bicicletas eléctricas y carretillas elevadoras eléctricas), vehículos de carretera (automóviles, camionetas, camiones, motos), trenes, pequeños, pequeños aviones, herramientas, fuentes de alimentación ininterrumpidos y estaciones de alimentación de almacenamiento de baterías. Las aplicaciones emergentes en la batería de combustión interna híbrida y los vehículos eléctricos impulsan la tecnología para reducir el costo, el peso y el tamaño, y aumentar la vida útil.

baterías recargables más antiguas a sí mismo a la descarga relativamente rápidamente, y requieren carga antes del primer uso; Algunas baterías NIMH de baja autodescarga más nuevas que tienen su carga durante muchos meses, y generalmente se venden cargadas de fábrica a aproximadamente el 70% de su capacidad nominal.

Las estaciones de alimentación de almacenamiento de la batería utilizan baterías recargables para el nivel de carga (almacenar energía eléctrica en momentos de baja demanda de uso durante los períodos pico) y para los usos de energía renovable (como el almacenamiento de energía generada a partir de matrices fotovoltaicas durante el día que se utilizará en noche). El nivel de carga reduce la potencia máxima que una planta debe poder generar, reduciendo el costo de capital y la necesidad de alcanzar las plantas de energía.

Según un informe de la investigación y los mercados, los analistas pronostican que el mercado global de baterías recargables crece a una tasa compuesta anual de 8.32% durante el período 2018-2022.

Las baterías recargables pequeñas pueden alimentar dispositivos electrónicos portátiles, herramientas eléctricas, electrodomésticos, etc. Las baterías de servicio pesado alimentan vehículos eléctricos, que van desde scooters hasta locomotoras y barcos. Se utilizan en generación de electricidad distribuida y en sistemas de energía independientes.

Carga y descarga

Un cargador solar para baterías recargables AA

Durante la carga, el material activo positivo se oxida, la producción de electrones, y el material negativo se reduce, consumiendo electrones. Estos electrones constituyen el flujo de corriente en el circuito externo. El electrolito puede servir como un tampón simple para el flujo de iones internos entre los electrodos, como en las células de iones de litio y níquel-cadmio, o puede ser un participante activo en la reacción electroquímica, como en las células de plomo-ácido.

La energía utilizada para cargar baterías recargables generalmente proviene de un cargador de batería que usa electricidad de la red de aire acondicionado, aunque algunas están equipadas para usar una salida de alimentación de CC de 12 voltios de vehículo. El voltaje de la fuente debe ser mayor que el de la batería para que la corriente fluya hacia ella, pero no demasiado mayor o la batería puede dañarse.

Los cargadores toman de unos minutos a varias horas para cargar una batería. Lento " Dumb " Los cargadores sin voltaje o capacidades de detección de temperatura se cargarán a una tasa baja, por lo general, tardan 14 horas o más en alcanzar una carga completa. Los cargadores rápidos generalmente pueden cargar células en dos a cinco horas, dependiendo del modelo, y la más rápida toma tan solo quince minutos. Los cargadores rápidos deben tener múltiples formas de detectar cuando una celda alcanza la carga completa (cambio en el voltaje terminal, temperatura, etc.) para dejar de cargar antes de que se produzca sobrecarga o sobrecalentamiento nocivo. Los cargadores más rápidos a menudo incorporan ventiladores de enfriamiento para evitar que las celdas se sobrecalienten. Los paquetes de baterías destinados a la carga rápida pueden incluir un sensor de temperatura que el cargador utiliza para proteger el paquete; El sensor tendrá uno o más contactos eléctricos adicionales.

diferentes químicas de batería requieren diferentes esquemas de carga. Por ejemplo, algunos tipos de baterías se pueden recargar de manera segura de una fuente de voltaje constante. Otros tipos deben cargarse con una fuente de corriente regulada que se estrecha a medida que la batería alcanza el voltaje completamente cargado. Cargar una batería incorrectamente puede dañar una batería; En casos extremos, las baterías pueden sobrecalentar, incendiarse o ventilar explosivamente su contenido.

Electrodo positivo y negativo vs. anodo y cathode para una batería secundaria

Ritmo de descarga

Las tasas de carga y descarga de la batería a menudo se analizan haciendo referencia a una "C" tasa de corriente. La tasa C es la que teóricamente cargaría o descargaría completamente la batería en una hora. Por ejemplo, la carga lenta se puede realizar a C/20 (o una tasa de '20 horas'), mientras que la carga y descarga típicas se pueden realizar a C/2 (dos horas para capacidad total). La capacidad disponible de las celdas electroquímicas varía según la tasa de descarga. Parte de la energía se pierde en la resistencia interna de los componentes de la celda (placas, electrolitos, interconexiones) y la tasa de descarga está limitada por la velocidad a la que pueden moverse los productos químicos en la celda. Para las celdas de plomo-ácido, la relación entre el tiempo y la tasa de descarga se describe mediante la ley de Peukert; una celda de plomo-ácido que ya no puede mantener un voltaje de terminal utilizable a una corriente alta aún puede tener una capacidad utilizable, si se descarga a una tasa mucho más baja. Las hojas de datos de las celdas recargables a menudo enumeran la capacidad de descarga en 8 horas o 20 horas u otro tiempo establecido; las celdas para sistemas de suministro de energía ininterrumpida pueden tener una descarga nominal de 15 minutos.

El voltaje terminal de la batería no es constante durante la carga y descarga. Algunos tipos tienen un voltaje relativamente constante durante la descarga en gran parte de su capacidad. Las pilas alcalinas y de zinc-carbón no recargables emiten 1,5 V cuando son nuevas, pero este voltaje cae con el uso. La mayoría de las celdas AA y AAA de NiMH tienen una clasificación de 1,2 V, pero tienen una curva de descarga más plana que las alcalinas y, por lo general, se pueden usar en equipos diseñados para usar baterías alcalinas.

Fabricantes de baterías' las notas técnicas a menudo se refieren al voltaje por celda (VPC) para las celdas individuales que componen la batería. Por ejemplo, para cargar una batería de plomo-ácido de 12 V (que contiene 6 celdas de 2 V cada una) a 2,3 VPC se requiere un voltaje de 13,8 V en los terminales de la batería.

Daño por inversión de celda

Al someter una celda descargada a una corriente en la dirección que tiende a descargarla aún más hasta el punto en que los terminales positivo y negativo cambian de polaridad, se produce una condición llamada inversión de celda. Generalmente, empujar la corriente a través de una celda descargada de esta manera provoca reacciones químicas indeseables e irreversibles que dan como resultado un daño permanente a la celda. La inversión de celda puede ocurrir bajo una serie de circunstancias, siendo las dos más comunes:

• Cuando una batería o una célula está conectada a un circuito de carga de la manera equivocada.
• Cuando una batería hecha de varias células conectadas en serie se descarga profundamente.

En el último caso, el problema ocurre debido a que las diferentes celdas de una batería tienen capacidades ligeramente diferentes. Cuando una celda alcanza el nivel de descarga antes que el resto, las celdas restantes forzarán la corriente a través de la celda descargada.

Muchos dispositivos que funcionan con baterías tienen un corte de bajo voltaje que evita que ocurran descargas profundas que podrían causar la inversión de la celda. Una batería inteligente tiene un circuito de monitoreo de voltaje incorporado.

La inversión de celda puede ocurrir en una celda débilmente cargada incluso antes de que se descargue por completo. Si la corriente de drenaje de la batería es lo suficientemente alta, la resistencia interna de la celda puede crear una caída de tensión resistiva mayor que la fem directa de la celda. Esto da como resultado la inversión de la polaridad de la celda mientras fluye la corriente. Cuanto mayor sea la tasa de descarga requerida de una batería, mejor coinciden las celdas, tanto en el tipo de celda como en el estado de carga, para reducir las posibilidades de inversión de celda.

En algunas situaciones, como cuando se corrigen baterías de NiCd que se han sobrecargado previamente, puede ser conveniente descargar completamente una batería. Para evitar daños por el efecto de inversión de la celda, es necesario acceder a cada celda por separado: cada celda se descarga individualmente conectando un clip de carga a través de los terminales de cada celda, evitando así la inversión de la celda.

Daños durante el almacenamiento en estado totalmente descargado

Si una batería de varias celdas se descarga por completo, a menudo se dañará debido al efecto de inversión de celda mencionado anteriormente. Sin embargo, es posible descargar completamente una batería sin causar la inversión de la celda, ya sea descargando cada celda por separado o permitiendo que la fuga interna de cada celda disipe su carga con el tiempo.

Incluso si una celda se descarga por completo sin revertirla, sin embargo, se pueden producir daños con el tiempo simplemente por permanecer en el estado descargado. Un ejemplo de esto es la sulfatación que se produce en las baterías de plomo-ácido que se dejan en un estante durante largos períodos. Por este motivo, a menudo se recomienda cargar una batería destinada a permanecer almacenada y mantener su nivel de carga recargándola periódicamente. Dado que también pueden producirse daños si la batería se sobrecarga, el nivel óptimo de carga durante el almacenamiento suele ser de alrededor del 30 % al 70 %.

Profundidad de descarga

La profundidad de descarga (DOD) normalmente se establece como un porcentaje de la capacidad nominal de amperios-hora; 0% DOD significa que no hay descarga. Como la capacidad utilizable de un sistema de batería depende de la tasa de descarga y el voltaje permitido al final de la descarga, la profundidad de descarga debe calificarse para mostrar la forma en que debe medirse. Debido a las variaciones durante la fabricación y el envejecimiento, el DOD para la descarga completa puede cambiar con el tiempo o la cantidad de ciclos de carga. Generalmente, un sistema de batería recargable tolerará más ciclos de carga/descarga si el DOD es más bajo en cada ciclo. Las baterías de litio pueden descargarse entre el 80 y el 90 % de su capacidad nominal. Las baterías de plomo-ácido pueden descargarse entre un 50% y un 60%. Mientras que las baterías de flujo pueden descargarse al 100%.

Vida útil y estabilidad del ciclo

Si las baterías se usan repetidamente, incluso sin maltrato, pierden capacidad a medida que aumenta el número de ciclos de carga, hasta que finalmente se considera que han llegado al final de su vida útil. Los diferentes sistemas de baterías tienen diferentes mecanismos de desgaste. Por ejemplo, en las baterías de plomo-ácido, no todo el material activo se restituye a las placas en cada ciclo de carga/descarga; eventualmente se pierde suficiente material para que la capacidad de la batería se reduzca. En los tipos de iones de litio, especialmente en descargas profundas, se puede formar algo de litio metálico reactivo en la carga, que ya no está disponible para participar en el siguiente ciclo de descarga. Las baterías selladas pueden perder humedad de su electrolito líquido, especialmente si se sobrecargan o funcionan a alta temperatura. Esto reduce la vida útil del ciclo.

Tiempo de recarga

BYD e6 taxi. Carga en 15 minutos a 80 por ciento

El tiempo de recarga es un parámetro importante para el usuario de un producto alimentado por baterías recargables. Incluso si la fuente de alimentación de carga proporciona suficiente energía para operar el dispositivo y recargar la batería, el dispositivo está conectado a una fuente de alimentación externa durante el tiempo de carga. Para los vehículos eléctricos utilizados industrialmente, puede ser aceptable la carga fuera de turno. Para los vehículos eléctricos de carretera, la carga rápida es necesaria para cargar en un tiempo razonable.

Una batería recargable no se puede recargar a un ritmo arbitrariamente alto. La resistencia interna de la batería producirá calor y el aumento excesivo de la temperatura dañará o destruirá la batería. Para algunos tipos, la tasa de carga máxima estará limitada por la velocidad a la que el material activo puede difundirse a través de un electrolito líquido. Las altas tasas de carga pueden producir un exceso de gas en una batería o pueden resultar en reacciones secundarias dañinas que reducen permanentemente la capacidad de la batería. A grandes rasgos, y con muchas excepciones y advertencias, restaurar la capacidad total de una batería en una hora o menos se considera carga rápida. Un sistema de cargador de batería incluirá estrategias de carga y circuito de control más complejas para una carga rápida que para un cargador diseñado para una recarga más lenta.

Componentes activos

Los componentes activos en una celda secundaria son los químicos que componen los materiales activos positivos y negativos, y el electrolito. Los electrodos positivo y negativo están hechos de diferentes materiales, mostrando el positivo un potencial de reducción y el negativo un potencial de oxidación. La suma de los potenciales de estas semirreacciones es el potencial o voltaje estándar de la celda.

En las celdas primarias, los electrodos positivo y negativo se conocen como cátodo y ánodo, respectivamente. Aunque esta convención a veces se aplica a los sistemas recargables, especialmente con celdas de iones de litio, debido a sus orígenes en las celdas de litio primarias, esta práctica puede generar confusión. En las pilas recargables el electrodo positivo es el cátodo en descarga y el ánodo en carga, y viceversa para el electrodo negativo.

Tipos

Parcela de tipos comunes

Tipos comerciales

La batería de plomo-ácido, inventada en 1859 por el físico francés Gaston Planté, es el tipo más antiguo de batería recargable. A pesar de tener una relación energía/peso muy baja y una relación energía/volumen baja, su capacidad para suministrar sobrecorrientes elevadas significa que las celdas tienen una relación potencia/peso relativamente grande. Estas características, junto con el bajo costo, lo hacen atractivo para su uso en vehículos de motor para proporcionar la alta corriente requerida por los motores de arranque de los automóviles.

La batería de níquel-cadmio (NiCd) fue inventada por Waldemar Jungner de Suecia en 1899. Utiliza hidróxido de óxido de níquel y cadmio metálico como electrodos. El cadmio es un elemento tóxico y la Unión Europea lo prohibió para la mayoría de los usos en 2004. Las baterías de níquel-cadmio han sido reemplazadas casi por completo por las baterías de níquel e hidruro metálico (NiMH).

La batería de níquel-hierro (NiFe) también fue desarrollada por Waldemar Jungner en 1899; y comercializado por Thomas Edison en 1901 en Estados Unidos para vehículos eléctricos y señalización ferroviaria. Se compone únicamente de elementos no tóxicos, a diferencia de muchos tipos de baterías que contienen mercurio, cadmio o plomo tóxicos.

La batería de hidruro de níquel-metal (NiMH) estuvo disponible en 1989. Ahora son un tipo industrial y de consumo común. La batería tiene una aleación absorbente de hidrógeno para el electrodo negativo en lugar de cadmio.

La batería de iones de litio se introdujo en el mercado en 1991, es la elección en la mayoría de los productos electrónicos de consumo, tiene la mejor densidad de energía y una pérdida de carga muy lenta cuando no está en uso. También tiene inconvenientes, en particular el riesgo de encendido inesperado por el calor generado por la batería. Dichos incidentes son raros y, según los expertos, se pueden minimizar "a través del diseño, la instalación, los procedimientos y las capas de protección adecuados" por lo que el riesgo es aceptable.

Las baterías de polímero de iones de litio (LiPo) son livianas, ofrecen una densidad de energía ligeramente mayor que las de iones de litio a un costo ligeramente mayor y se pueden fabricar en cualquier forma. Están disponibles pero no han desplazado al Li-ion en el mercado. Un uso principal de las baterías LiPo es alimentar automóviles, barcos y aviones a control remoto. Los paquetes LiPo están fácilmente disponibles en el mercado de consumo, en varias configuraciones, hasta 44.4v, para alimentar ciertos vehículos R/C y helicópteros o drones. Algunos informes de pruebas advierten del riesgo de incendio cuando las baterías no se utilizan de acuerdo con las instrucciones. Las revisiones independientes de la tecnología analizan el riesgo de incendio y explosión de las baterías de iones de litio en determinadas condiciones porque utilizan electrolitos líquidos.

Otros tipos experimentales

‡ se necesitan citas para estos parámetros

Notas

• ^a Tensión celular nominal en V.
• ^b Densidad energética = energía/peso o energía/tamaño, dada en tres unidades diferentes
• ^c Potencia específica = potencia/peso en W/kg
• ^e Precio de la energía/consumo en W·h/US$ (aproximadamente)
• ^f Tasa de auto-descarga en %/mes
• ^g Duración del ciclo en número de ciclos
• ^h Duración del tiempo en años
• ⁱ VRLA o recombinante incluye baterías de gel y alfombras de vidrio absorbidas
• ^p Producción piloto

La batería de litio-azufre fue desarrollada por Sion Power en 1994. La empresa afirma tener una densidad de energía superior a otras tecnologías de litio.

La batería de película delgada (TFB) es un refinamiento de la tecnología de iones de litio de Excellatron. Los desarrolladores afirman un gran aumento en los ciclos de recarga a alrededor de 40,000 y mayores tasas de carga y descarga, al menos 5 C tasa de carga. Descarga sostenida de 60 C y tasa de descarga máxima de 1000C y un aumento significativo en la energía específica y la densidad de energía.

La batería de fosfato de hierro y litio se utiliza en algunas aplicaciones.

UltraBattery, una batería híbrida de plomo-ácido y un ultracondensador inventado por la organización científica nacional australiana CSIRO, muestra decenas de miles de ciclos de estado parcial de carga y ha superado a las celdas tradicionales de plomo-ácido, litio y NiMH. cuando se compara en pruebas en este modo con perfiles de potencia de gestión de variabilidad. UltraBattery tiene instalaciones a escala de kW y MW en Australia, Japón y EE. UU. También se ha sometido a pruebas exhaustivas en vehículos eléctricos híbridos y se ha demostrado que dura más de 100 000 millas de vehículos en pruebas comerciales en carretera en un servicio de mensajería. vehículo. Se afirma que la tecnología tiene una vida útil de 7 a 10 veces mayor que la de las baterías de plomo-ácido convencionales en uso de estado de carga parcial de alta tasa, con beneficios ambientales y de seguridad reclamados sobre competidores como el ion-litio. Su fabricante sugiere que ya existe una tasa de reciclaje de casi el 100% para el producto.

La batería de iones de potasio ofrece alrededor de un millón de ciclos, debido a la extraordinaria estabilidad electroquímica de los materiales de inserción/extracción de potasio, como el azul de Prusia.

La batería de iones de sodio está diseñada para el almacenamiento estacionario y compite con las baterías de plomo-ácido. Su objetivo es un bajo costo total de propiedad por kWh de almacenamiento. Esto se logra mediante una vida larga y estable. El número efectivo de ciclos es superior a 5000 y la batería no se daña por una descarga profunda. La densidad de energía es bastante baja, algo más baja que la del plomo-ácido.

Alternativas

Una batería recargable es solo uno de varios tipos de sistemas de almacenamiento de energía recargable. Existen varias alternativas a las baterías recargables o están en desarrollo. Para usos como radios portátiles, las baterías recargables pueden reemplazarse por mecanismos de relojería que se dan cuerda a mano, impulsando dínamos, aunque este sistema puede usarse para cargar una batería en lugar de operar la radio directamente. Las linternas pueden ser impulsadas directamente por una dinamo. Para transporte, sistemas de suministro de energía ininterrumpida y laboratorios, los sistemas de almacenamiento de energía de volante almacenan energía en un rotor giratorio para convertirla en energía eléctrica cuando sea necesario; dichos sistemas pueden usarse para proporcionar grandes pulsos de energía que de otro modo serían objetables en una red eléctrica común.

También se utilizan ultracondensadores (condensadores de valor extremadamente alto); En 2007 se introdujo un destornillador eléctrico que se carga en 90 segundos y clavará aproximadamente la mitad de tornillos que un dispositivo que utiliza una batería recargable, y se han producido linternas similares. De acuerdo con el concepto de ultracondensadores, las baterías betavoltaicas se pueden utilizar como un método para proporcionar una carga lenta a una batería secundaria, lo que prolonga en gran medida la vida útil y la capacidad energética del sistema de batería que se emplea; este tipo de disposición a menudo se denomina "fuente de energía híbrida betavoltaica" por aquellos en la industria.

Se están desarrollando ultracondensadores para el transporte, utilizando un gran condensador para almacenar energía en lugar de los bancos de baterías recargables que se usan en los vehículos híbridos. Una desventaja de los capacitores en comparación con las baterías es que el voltaje en los terminales cae rápidamente; un capacitor al que le queda el 25% de su energía inicial tendrá la mitad de su voltaje inicial. Por el contrario, los sistemas de baterías tienden a tener un voltaje terminal que no disminuye rápidamente hasta que casi se agota. Esta caída de tensión en los terminales complica el diseño de la electrónica de potencia para su uso con ultracondensadores. Sin embargo, existen beneficios potenciales en la eficiencia del ciclo, la vida útil y el peso en comparación con los sistemas recargables. China comenzó a usar ultracondensadores en dos rutas de autobuses comerciales en 2006; uno de ellos es la ruta 11 en Shanghai.

Las baterías de flujo, utilizadas para aplicaciones especializadas, se recargan reemplazando el electrolito líquido. Una batería de flujo se puede considerar como un tipo de pila de combustible recargable.

Investigación

La investigación sobre baterías recargables incluye el desarrollo de nuevos sistemas electroquímicos, así como la mejora de la vida útil y la capacidad de los tipos actuales.