Batería eléctrica

Para otros usos, consulte Batería (desambiguación) .

Fuente de energía eléctrica almacenada que consta de una o más células químicas.

Batería

Varias celdas y baterías (de arriba a la izquierda a abajo a la derecha): dos AA , una D , una batería de radioaficionado de mano , dos de 9 voltios (PP3), dos AAA , una C , una batería de videocámara , una batería de teléfono inalámbrico
Escribe	Fuente de alimentación
Principio de funcionamiento	Reacciones electroquímicas , fuerza electromotriz
Primera produccion	1800
Símbolo electrónico
El símbolo de una batería en un diagrama de circuito . Se originó como un dibujo esquemático del primer tipo de batería, una pila voltaica .

Una batería es una fuente de energía eléctrica que consta de una o más celdas electroquímicas con conexiones externas ^[1] para alimentar dispositivos eléctricos como linternas , teléfonos móviles y automóviles eléctricos . Cuando una batería está suministrando energía eléctrica , su terminal positivo es el cátodo y su terminal negativo es el ánodo . ^[2] El terminal marcado como negativo es la fuente de electrones que fluirán a través de un circuito eléctrico externo al terminal positivo. Cuando una batería está conectada a una carga eléctrica externa, un redoxLa reacción 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. ^[3] 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. ^[4]

Las baterías primarias (de un solo uso o " desechables ") se usan una vez y se desechan, ya que los materiales de los electrodos se cambian irreversiblemente durante la descarga; un ejemplo común es la batería alcalina utilizada para linternas y una 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 mediante corriente inversa. Los ejemplos incluyen las baterías de plomo-ácido utilizadas en 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 usan para alimentar audífonos y relojes de pulsera hasta celdas pequeñas y delgadas que se usan en teléfonos inteligentes , hasta baterías grandes de plomo-ácido o baterías de iones de litio en vehículos, y en el extremo más grande, enormes bancos de baterías. tamaño de las 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 con la mayor eficiencia de los motores eléctricos en la conversión de energía eléctrica en trabajo mecánico, en comparación con los motores de combustión.

Historia

Artículo principal: Historia de la batería

El físico italiano Alessandro Volta demostrando su pila al emperador francés Napoleón Bonaparte

El físico italiano Alessandro Volta construyó y describió la primera batería electroquímica, la pila voltaica , en 1800. ^[5] 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 una longitud considerable. de tiempo. Volta no entendió que el voltaje se debía a reacciones químicas. Pensó que sus células eran una fuente inagotable de energía, ^[6] y que los efectos de corrosión asociados en los electrodos eran una mera molestia, más que una consecuencia inevitable de su funcionamiento, como lo demostró Michael Faraday en 1834. ^[7]

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 sostenido. La celda 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 teniendo una adopción generalizada como fuente de energía para redes de telégrafos eléctricos . ^[8] 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. ^[9]

Estas celdas húmedas usaban electrolitos líquidos, que eran propensos a fugas y derrames si no se manejaban correctamente. Muchos usaban frascos de vidrio para contener sus componentes, lo que los hacía frágiles y potencialmente peligrosos. Estas características hacen que las celdas húmedas no sean adecuadas para aparatos portátiles. Hacia fines del siglo XIX, la invención de las baterías de celda seca , que reemplazó el electrolito líquido por una pasta, hizo prácticos los dispositivos eléctricos portátiles. ^[10]

Principio de funcionamiento

Artículo principal: celda electroquímica

Una celda voltaica para fines de demostración. En este ejemplo, las dos medias celdas están unidas por un puente salino que permite la transferencia de iones.

Las baterías convierten la energía química directamente en energía eléctrica . En muchos casos, la energía eléctrica liberada es la diferencia en las energías cohesivas ^[11] o de enlace de los metales, óxidos o moléculas que experimentan la reacción electroquímica. ^[3] 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 varias celdas voltaicas . Cada celda consta de dos medias celdas conectadas en serie por un electrolito conductor que contiene cationes metálicos . Una media celda incluye el electrolito y el electrodo negativo, el electrodo al que migran los aniones (iones cargados negativamente); la otra mitad de la 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. ^[12]Algunas celdas usan diferentes electrolitos para cada media celda; luego se usa un separador para evitar la mezcla de 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 medias celdas. ^[13] Por lo tanto, si los electrodos tienen fem y , entonces la fem neta es ; en otras palabras, la fem neta es la diferencia entre los potenciales de reducción de las semirreacciones . ^[14]${\displaystyle {\mathcal {E}}_{1}}$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{2}}$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{2}-{\mathcal {E}}_{1}}$

La fuerza impulsora eléctrica o a través de los terminales de una celda se conoce como voltaje terminal (diferencia) y se mide en voltios . ^[15] El voltaje terminal de una celda que no se está cargando ni descargando se llama voltaje de circuito abierto y es igual a la fem de la celda. Debido a la resistencia interna, ^[16] el voltaje terminal de una celda que se descarga es menor en magnitud que el voltaje de circuito abierto y el voltaje terminal de una celda que se está cargando excede el voltaje de circuito abierto. ^[17] Una celda ideal tiene una resistencia interna insignificante, por lo que mantendría un voltaje terminal constante de${\displaystyle \displaystyle {\Delta V_{bat}}}$${\displaystyle {\mathcal {E}}}$hasta que se agote, luego caiga a cero. Si dicha celda mantuviera 1,5 voltios y produjera una carga de un culombio , con una descarga completa habría realizado 1,5 julios de trabajo. ^[15] En las celdas reales, la resistencia interna aumenta con la descarga ^[16] y el voltaje de circuito abierto también disminuye con la descarga. Si el voltaje y la resistencia se grafican en función del tiempo, los gráficos resultantes suelen ser una curva; la forma de la curva varía según la química y la disposición interna empleada.

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 células alcalinas y de zinc-carbono tienen diferentes químicas, pero aproximadamente la misma fem de 1,5 voltios; Asimismo, las células NiCd y NiMH tienen diferentes químicas, pero aproximadamente la misma fem de 1,2 voltios. ^[18] Los cambios de alto potencial electroquímico en las reacciones de los compuestos de litio dan fem de las celdas de litio de 3 voltios o más. ^[19]

Categorías y tipos de baterías

Artículo principal: Lista de tipos de baterías

De arriba a abajo: una batería grande 3R12 de 4.5 voltios , una celda D , una celda C , una celda AA , una celda AAA , una celda AAAA , una batería A23 , una batería PP3 de 9 voltios y un par de pilas de botón (CR2032 y LR44)

Las baterías se clasifican en formas primarias y secundarias:

• Las baterías primarias están diseñadas para usarse hasta que se agoten y luego se desechen. 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. ^[20]
• Las baterías secundarias se pueden recargar; es decir, pueden revertir sus reacciones químicas aplicando corriente eléctrica a la célula. Esto regenera los reactivos químicos originales, por lo que se pueden usar, recargar y volver a usar varias veces. ^[21]

Algunos tipos de baterías primarias utilizadas, por ejemplo, para circuitos telegráficos , se restablecieron para que funcionen reemplazando los electrodos. ^[22] Las baterías secundarias no son recargables indefinidamente debido a la disipación de los materiales activos, la pérdida de electrolito y la corrosión interna.

Primario

Artículo principal: célula primaria

Las baterías primarias, o celdas primarias , pueden producir corriente inmediatamente después del ensamblaje. Estos se usan más comúnmente en dispositivos portátiles que tienen un consumo de corriente bajo, se usan solo de manera intermitente o se usan 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 pilas primarias desechables no se pueden recargar de forma fiable, 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. ^[23] En general, tienen densidades de energía más altas que las baterías recargables, ^[24]pero las baterías desechables no funcionan bien en aplicaciones de alto consumo con cargas inferiores a 75 ohmios (75 Ω). Los tipos comunes de pilas desechables incluyen pilas de zinc-carbono y pilas alcalinas .

Secundario

Artículo principal: batería recargable

Las baterías secundarias, también conocidas como celdas secundarias o baterías recargables , deben cargarse antes del primer uso; generalmente se ensamblan con materiales activos en estado descargado. Las baterías recargables se (re) cargan aplicando corriente eléctrica, que invierte las reacciones químicas que ocurren 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 utiliza ampliamente en aplicaciones de automoción y 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 .

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 . ^{[25] Las} baterías VRLA inmovilizan el electrolito. Los dos tipos son:

• Las baterías de gel (o "celda de gel") utilizan un electrolito semisólido.
• Las baterías Absorbed Glass Mat (AGM) absorben el electrolito en una estera especial de fibra de vidrio.

Otras baterías recargables portátiles incluyen varios tipos sellados de "celda seca", que son útiles en aplicaciones como teléfonos móviles y computadoras portátiles . Las celdas de este tipo (en orden de aumento de densidad de potencia y costo) incluyen celdas de níquel-cadmio (NiCd), níquel-zinc (NiZn), hidruro metálico de níquel (NiMH) e iones de litio (Li-ion). Li-ion tiene, con mucho, la cuota más alta del mercado de baterías recargables de pila seca. El NiMH ha reemplazado al NiCd en la mayoría de las aplicaciones debido a su mayor capacidad, pero el NiCd sigue utilizándose en herramientas eléctricas , radios bidireccionales 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 , ^[26] baterías nanoball que permiten una tasa de descarga aproximadamente 100 veces mayor que las baterías actuales y paquetes de baterías inteligentes con estado- monitores de carga y circuitos de protección de la batería que evitan daños por sobredescarga. La baja autodescarga (LSD) permite cargar las celdas secundarias antes del envío.

Tipos de celdas

Se han producido muchos tipos de celdas electroquímicas, con diferentes procesos y diseños químicos, incluidas celdas galvánicas , celdas electrolíticas , celdas de combustible , celdas de flujo y pilas voltaicas. ^[27]

Celda húmeda

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 células húmedas fueron un precursor de las células secas y se utilizan 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 pilas húmedas pueden ser pilas primarias (no recargables) o pilas secundarias.(recargable). Originalmente, todas las baterías primarias prácticas, como la celda Daniell, se construyeron como celdas húmedas de tarro de vidrio con la parte superior abierta. Otras células húmedas primarios son la celda Leclanché , célula Grove , célula Bunsen , célula de ácido crómico , de células Clark , y de células Weston . La química de las células de Leclanche se adaptó a las primeras células secas. Las celdas húmedas todavía se utilizan en baterías de automóviles y en la industria como energía de reserva para equipos de conmutación , telecomunicaciones o grandes fuentes de alimentación ininterrumpida , pero en muchos lugares baterías con celdas de gel.en su lugar. Estas aplicaciones comúnmente usan celdas de plomo-ácido o níquel-cadmio .

Pila seca

Más información: celda seca

Dibujo lineal de una celda seca:
1. tapa de latón, 2. sello de plástico, 3. espacio de expansión, 4. cartón poroso, 5. lata de zinc, 6. varilla de carbón, 7. mezcla química

Una celda seca usa un electrolito en pasta, con solo suficiente humedad para permitir que fluya la corriente. A diferencia de una celda húmeda, una celda seca puede funcionar en cualquier orientación sin derramar, ya que no contiene líquido libre, lo que la hace adecuada para equipos portátiles. En comparación, las primeras celdas húmedas eran típicamente contenedores 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-carbono , a veces llamada pila seca 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 comprende 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 lo ocupa una segunda pasta que consiste en cloruro de amonio y dióxido de manganeso, este último actúa como undespolarizador . En algunos diseños, el cloruro de amonio se reemplaza por cloruro de zinc .

Sal fundida

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 aisladas para retener el calor.

reserva

Una batería de reserva se puede almacenar sin ensamblar (desactivada 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 el agua.

Rendimiento celular

Las características de una batería pueden variar durante el ciclo de carga, el ciclo de carga 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 energía. 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.

Capacidad y descarga

Un dispositivo para verificar el voltaje de la batería.

La capacidad de una batería es la cantidad de carga eléctrica que puede entregar al voltaje nominal. Cuanto más material de electrodo contenga la celda, mayor será 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. ^{[28] La} capacidad se mide en unidades tales 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 terminal especificado por celda. Por ejemplo, una batería de 100 A · h puede suministrar 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. ^[28]

Cuanto mayor sea la tasa de descarga, menor será la capacidad. ^[29] La relación entre la corriente, el tiempo de descarga y la capacidad de una batería de plomo-ácido es aproximada (sobre un rango típico de valores de corriente) por la ley de Peukert :

${\displaystyle t={\frac {Q_{P}}{I^{k}}}}$

dónde

${\displaystyle Q_{P}}$ es la capacidad cuando se descarga a una tasa de 1 amperio.

${\displaystyle I}$es la corriente extraída de la batería ( A ).

${\displaystyle t}$ es la cantidad de tiempo (en horas) que puede soportar una batería.

${\displaystyle k}$ es una constante alrededor de 1.3.

Las baterías que se almacenan durante un período prolongado o que se descargan a una pequeña fracción de la 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 las baterías se recargan, pueden ocurrir reacciones secundarias adicionales, reduciendo 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 internas 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 una tasa baja entrega más capacidad de la batería que a una tasa más alta. La instalación de baterías con distintas clasificaciones A · h no afecta la operación del dispositivo (aunque puede afectar el intervalo de operación) clasificada 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 sucede con las pilas alcalinas. Por ejemplo, una batería con una potencia nominal de 2 A · h para una descarga de 10 o 20 horas no sostendría una corriente de 1 A durante dos horas completas, como implica su capacidad indicada.

Tasa C

Ver también: Cargador de batería § C-rate

La tasa C es una medida de la tasa 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. ^[30] Tiene las unidades h ⁻¹ .

Debido a la pérdida de resistencia interna y los procesos químicos dentro de las celdas, una batería rara vez entrega la capacidad nominal de la placa de identificación en solo una hora.

Por lo general, la capacidad máxima se encuentra a 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 suelen publicar hojas de datos con gráficos que muestran la capacidad frente a las curvas de tasa C. La tasa C también se usa como una clasificación en 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 en un tiempo de descarga de 4 horas (0,25 C), 8 horas (0,125 C) o más. Los fabricantes pueden clasificar los tipos destinados a fines especiales, como en una fuente de alimentación ininterrumpida de computadora , para períodos de descarga mucho menos de una hora (1C), pero pueden sufrir un ciclo de vida limitado.

Baterías de carga rápida, grandes y ligeras

A partir de 2012 ^[actualizar], el fosfato de hierro y litio ( LiFePO4) la tecnología de batería fue la de carga / descarga más rápida, y se descargó por completo en 10 a 20 segundos. ^[31]

A partir de 2017 ^[actualizar], Tesla fabricó la batería más grande del mundo en Australia Meridional . Puede almacenar 129 MWh. ^[32] En 2013 se construyó una batería en la provincia de Hebei , China, que puede almacenar 36 MWh de electricidad a un costo de 500 millones de dólares. ^[33] Otra gran batería, compuesta de pilas de Ni-Cd , estaba en Fairbanks, Alaska . Ocupaba 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 hasta siete minutos. ^[34] Se han utilizado baterías de sodio-azufre para almacenarenergía eólica . ^[35] Un sistema de baterías de 4,4 MWh que puede entregar 11 MW durante 25 minutos estabiliza la producción del parque eólico Auwahi en Hawai. ^[36]

Se utilizaron baterías de litio-azufre en el vuelo más largo y más alto con energía solar. ^[37]

Toda la vida

La duración de la batería (y su sinónimo de duración de la batería) tiene dos significados para las baterías recargables, pero solo uno para las no recargables. Para las recargables, puede significar el tiempo que un dispositivo puede funcionar con una batería completamente cargada o el número de ciclos de carga / descarga posibles antes de que las celdas no funcionen satisfactoriamente. Para un no recargable, estas dos vidas son iguales ya que las células duran solo un ciclo por definición. (El término vida útil se utiliza para describir cuánto tiempo una batería conservará su rendimiento entre la fabricación y el uso). La capacidad disponible de todas las baterías disminuye al disminuir la temperatura. A diferencia de la mayoría de las baterías actuales, la pila Zamboni, inventado en 1812, ofrece una vida útil muy larga sin necesidad de reacondicionamiento ni recarga, aunque suministra corriente solo en el rango de nanoamperios. La campana eléctrica de Oxford ha estado sonando casi continuamente desde 1840 con su par original de baterías, que se cree que son pilas de Zamboni. ^{[ cita requerida ]}

Autodescarga

Las baterías desechables generalmente pierden del 8 al 20 por ciento de su carga original por año cuando se almacenan a temperatura ambiente (20–30 ° C). ^[38] Esto se conoce como tasa de "autodescarga" y se debe a reacciones químicas "secundarias" 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 por congelación.

Las pilas recargables viejas se autodescargan más rápidamente que las pilas alcalinas desechables, especialmente las de níquel; una batería de níquel cadmio (NiCd) recién cargada pierde el 10% de su carga en las primeras 24 horas y, a partir de entonces, se descarga a una tasa de aproximadamente el 10% mensual. Sin embargo, las baterías de hidruro metálico de níquel (NiMH) de baja autodescarga más nuevas y los diseños de litio modernos muestran una tasa de autodescarga más baja (pero aún más alta que para las baterías primarias).

Corrosión

Las partes internas pueden corroerse y fallar, o los materiales activos pueden convertirse lentamente en formas inactivas.

Cambios de componentes físicos

El material activo de las placas de la batería cambia la 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 de níquel están parcialmente descargadas cuando se compran y deben cargarse antes del primer uso. ^[39] Las baterías de NiMH más nuevas están listas para usarse cuando se compran y solo tienen un 15% de descarga en un año. ^[40]

Se produce cierto deterioro en cada ciclo de carga-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 (1.700–2.000 mA · h) se pueden cargar unas 1.000 veces, mientras que las baterías de NiMH de alta capacidad (por encima de 2.500 mA · h) duran unos 500 ciclos. ^{[41] Las} baterías de NiCd tienden a tener una capacidad nominal de 1,000 ciclos antes de que su resistencia interna aumente permanentemente más allá de los valores utilizables.

Velocidad de carga / descarga

La carga rápida aumenta los cambios de componentes, acortando la vida útil de la batería. ^[41]

Sobrecarga

Si un cargador no puede detectar cuando la batería está completamente cargada, es probable que se sobrecargue y se dañe. ^[42]

Efecto memoria

Ver también: Batería de níquel-cadmio § Efecto memoria

Las células de NiCd, si se usan de una manera repetitiva particular, pueden mostrar una disminución en la capacidad llamada " efecto de memoria ". ^[43] El efecto se puede evitar con prácticas sencillas. Las células NiMH, aunque similares en química, sufren menos efecto memoria. ^[44]

Una batería de videocámara analógica [iones de litio]

Condiciones ambientales

Las baterías recargables de plomo-ácido para automóviles deben soportar el estrés debido a vibraciones, golpes y rango de temperatura. Debido a estas tensiones y la sulfatación de sus placas de plomo, pocas baterías de automóviles duran más de seis años de uso regular. ^[45] Las baterías de arranque de automóviles ( 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 utilizan en los carros de golf eléctricos, tienen placas mucho más gruesas para prolongar la longevidad. ^[46] 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 voltaje. Las baterías de plomo-ácido nunca deben descargarse por debajo del 20% de su capacidad, ^[47] porque la resistencia interna provocará calor y daños cuando se recargan. 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. ^[48]

Almacenamiento

La vida útil de la batería 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. ^[49] 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. ^[24] Los fabricantes de pilas alcalinas como Duracell no recomiendan las pilas de refrigeración. ^[23]

Tamaños de batería

Artículo principal: Lista de tamaños de batería

Las baterías primarias disponibles para los consumidores van desde pequeñas pilas de botón utilizadas para relojes eléctricos, hasta la pila número 6 utilizada para circuitos de señal u otras aplicaciones de larga duración. Las celdas secundarias se fabrican en tamaños muy grandes; Las baterías muy grandes pueden alimentar un submarino o estabilizar una red eléctrica y ayudar a nivelar las cargas máximas.

Riesgos

Explosión

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Ver también: batería de iones de litio § Seguridad

Batería tras explosión

La explosión de una batería generalmente se debe a un mal uso o 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 explosivo de hidrógeno y oxígeno más rápido de lo que puede escapar desde el interior de la batería (por ejemplo, a través de un respiradero incorporado), lo que lleva a la acumulación de presión y eventual explosión de la batería. la caja de la batería. En casos extremos, los productos químicos de la batería pueden salpicar violentamente de la carcasa y causar lesiones. La sobrecarga, es decir, 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 dispositivo en el que la batería sobrecargada se utilice posteriormente.

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, al "arrancar" un automóvil, la alta corriente puede provocar la rápida liberación de grandes volúmenes de hidrógeno, que pueden encenderse explosivamente por una chispa cercana, por ejemplo, al desconectar un cable de puente .

La eliminación de una batería mediante incineración puede provocar una explosión a medida que se acumula vapor dentro de la caja sellada.

Los retiros de dispositivos que usan baterías de iones de litio se han vuelto más comunes en los últimos años. Esto es en respuesta a accidentes y fallas reportados, ocasionalmente ignición o explosión. ^{[50] [51]} Un resumen experto del problema indica que este tipo usa "electrolitos líquidos para transportar iones de litio entre el ánodo y el cátodo. Si una celda de la batería se carga demasiado rápido, puede causar un cortocircuito y provocar explosiones". e incendios ". ^{[52] [53]}

Fuga

Pila alcalina dañada por fugas

Muchos productos químicos de las baterías son corrosivos, venenosos o ambos. Si se produce una fuga, ya sea de forma espontánea o accidental, 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 química activa puede dañar o inutilizar el equipo que alimentan las baterías. Por esta razón, muchos fabricantes de dispositivos electrónicos recomiendan quitar las baterías de los dispositivos que no se utilizarán durante períodos prolongados.

Materiales tóxicos

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 ambientales. ^[54] Las baterías son una forma de desechos electrónicos ( desechos electrónicos). Los servicios de reciclaje de desechos electrónicos recuperan sustancias tóxicas, que luego pueden usarse para baterías nuevas. ^[55] De los casi tres mil millones de baterías que se compran anualmente en los Estados Unidos, alrededor de 179.000 toneladas terminan en vertederos de todo el país. ^[56] En los Estados Unidos, la Ley de gestión de baterías recargables y que contienen mercuriode 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. ^[57] California y la ciudad de Nueva York prohíben la eliminación de baterías recargables en desechos sólidos. ^{[58] [59]} La industria de las baterías recargables opera programas de reciclaje a nivel nacional en los Estados Unidos y Canadá, con puntos de entrega en los minoristas locales. ^[60]

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 . ^[61] 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). 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 forma. ^[62]

Ingestión

Las baterías pueden ser dañinas o fatales si se ingieren . ^[63] Las pilas de botón pequeñas pueden tragarse, en particular, los niños pequeños. Mientras está en el tracto digestivo, la descarga eléctrica de la batería puede provocar daños en los tejidos; ^[64] 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 para que las baterías de disco se alojen es el esófago, lo que resulta en 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. Se han alojado baterías de disco de 16 mm en el esófago de 2 niños menores de 1 año. ^{[ cita requerida ]} Los niños mayores no tienen problemas con baterías 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. ^{[sesenta y cinco]}

Más información: Lithium_battery § Health_issues_on_ingestion y Button_cell § Accidental_ingestion

Química

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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 determinadas por la química de la batería. ^{[ cita requerida ]}

Baterías primarias y sus características.

Química	Ánodo (-)	Cátodo (+)	Max. voltaje, teórico (V)	Tensión nominal, práctica (V)	Energía específica (kJ / kg)	Elaboración	Vida útil a 25 ° C, 80% de capacidad (meses)
Zinc-carbono	Zn	C	1,6	1.2	130	Barato.	18
Cloruro de zinc			1,5			También conocido como "heavy-duty", económico.
Alcalino (zinc-dióxido de manganeso)	Zn	MnO 2	1,5	1,15	400-590	Densidad energética moderada. Bueno para usos de alto y bajo drenaje.	30
Oxihidróxido de níquel (zinc-dióxido de manganeso / oxihidróxido de níquel)			1,7			Densidad energética moderada. Bueno para usos de alto drenaje.
Litio (óxido de litio-cobre) Li-CuO	Li	CuO	1,7			Ya no se fabrica. Reemplazadas por baterías de óxido de plata ( tipo IEC "SR").
Litio (disulfuro de litio-hierro) LiFeS 2	Li	FeS 2	1.8	1,5	1070	Costoso. Se utiliza en baterías 'plus' o 'extra'.	337 [66]
Litio (litio-dióxido de manganeso) LiMnO 2	Li	MnO 2	3,0		830-1010	Costoso. Se usa solo en dispositivos de alto drenaje o para una vida útil prolongada debido a la muy baja tasa de autodescarga. El 'litio' solo generalmente se refiere a este tipo de química.
Litio (fluoruro de litio-carbono) Li– (CF) n	Li	(CF) n	3.6	3,0			120
Litio (litio-óxido de cromo) Li-CrO 2	Li	CrO 2	3.8	3,0			108
Litio ( litio-silicio )	Li 22 Si 5
Óxido de mercurio	Zn	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	Zn	O 2	1,6	1.1	1590 [67]	Se utiliza principalmente en audífonos.
Pila de Zamboni	Zn	Ag o Au		0,8		Vida muy larga Corriente muy baja (nanoamperios, nA)	> 2000
Óxido de plata (plata-zinc)	Zn	Ag 2 O	1,85	1,5	470	Muy caro. Se usa solo comercialmente en celdas de 'botón'.	30
Magnesio	Mg	MnO 2	2.0	1,5			40

Baterías secundarias (recargables) y sus características.

Química	Voltaje de la celda	Energía específica (kJ / kg)	Densidad energética (kJ / litro)	Comentarios
NiCd	1.2	140		Química del níquel-cadmio. Barato. Densidad energética moderada, de alto / bajo drenaje. Puede soportar velocidades de descarga muy altas sin prácticamente pérdida de capacidad. Tasa moderada de autodescarga. Peligro para el medio ambiente debido al cadmio: su uso ahora está prácticamente prohibido en Europa.
Plomo-ácido	2.1	140		Moderadamente caro. Densidad energética moderada. Tasa moderada de autodescarga. Las tasas de descarga más altas dan como resultado una pérdida considerable de capacidad. Peligro ambiental debido al plomo. Uso común: baterías de automóvil
NiMH	1.2	360		Química del níquel-hidruro metálico. Barato. Funciona mejor que las pilas alcalinas en dispositivos de mayor consumo. La química tradicional tiene una alta densidad de energía, pero también una alta tasa de autodescarga. La química más reciente tiene una tasa de autodescarga baja , pero también una densidad de energía ~ 25% menor. Usado en algunos autos.
NiZn	1,6	360		Química del níquel-zinc. Moderadamente económico. Apto para dispositivo de alto drenaje. Baja tasa de autodescarga. Voltaje más cercano a las celdas primarias alcalinas que a otras celdas secundarias. Sin componentes tóxicos. Recién introducido en el mercado (2009). Aún no ha establecido un historial. Disponibilidad limitada de tamaño.
AgZn	1,86 1,5	460		Química de plata-zinc. Volumen más pequeño que el Li-ion equivalente. Extremadamente caro debido a la plata. Densidad energética muy alta. Capacidad de drenaje muy alto. Durante muchos años se consideró obsoleto debido a los altos precios de la plata. La célula sufre oxidación si no se usa. Las reacciones no se comprenden completamente. El voltaje terminal es muy estable, pero cae repentinamente a 1,5 voltios con una carga del 70–80% (se cree que se debe a la presencia de óxido argentoso y argentino en la placa positiva; uno se consume primero). Se ha utilizado en lugar de la batería principal (buggy lunar). Se está desarrollando una vez más como reemplazo del Li-ion.
LiFePO 4	3.3 3.0	360	790	Química de litio-hierro-fosfato.
Ion de litio	3.6	460		Varias químicas del litio. Muy caro. Densidad energética muy alta. 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. Tasa de autodescarga muy baja. El voltaje terminal varía de 4.2 a 3.0 voltios durante la descarga. Volátil: posibilidad de explosión si se cortocircuita, se sobrecalienta o no se fabrica con rigurosos estándares de calidad.

Baterías de estado sólido

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 , desarrollado por un equipo dirigido por el inventor de baterías de iones de litio, John Goodenough , "que podría conducir a una carga más segura y rápida, baterías recargables de mayor duración para dispositivos móviles de mano, coches eléctricos y almacenamiento de energía estacionario ". ^[68] Se publicaron más detalles sobre la nueva tecnología en la revista científica Energy & Environmental Science, revisada por pares .

Las revisiones independientes de la tecnología discuten el riesgo de incendio y explosión de las baterías de iones de litio bajo ciertas condiciones porque usan electrolitos líquidos. La batería recién desarrollada debería ser más segura, ya que utiliza electrolitos de vidrio que deberían eliminar los cortocircuitos. También se dice que la batería de estado sólido tiene "tres veces la densidad de energía", lo que aumenta su vida útil en vehículos eléctricos, por ejemplo. También debería ser más ecológico, ya que la tecnología utiliza materiales menos costosos y ecológicos, como el sodio extraído del agua de mar. También tienen una vida mucho más larga; "las células han demostrado más de 1.200 ciclos con baja resistencia celular". No se espera que la investigación y los prototipos conduzcan a un producto comercialmente viable en un futuro próximo, si es que alguna vez lo hacen.según Chris Robinson de LUX Research. "Esto no tendrá un efecto tangible en la adopción de vehículos eléctricos en los próximos 15 años, si es que lo tiene. Un obstáculo clave al que se enfrentan muchos electrolitos de estado sólido es la falta de un proceso de fabricación escalable y rentable", dijo a The American Energy News en un correo electrónico.^[69]

Células caseras

Casi cualquier objeto líquido o húmedo que tenga suficientes iones para ser conductor eléctrico puede servir como electrolito para una celda. Como novedad o demostración científica, es posible insertar dos electrodos de diferentes metales en un limón , ^[70] patata, ^[71] etc. y generar pequeñas cantidades de electricidad. Los "relojes de dos patatas" también están ampliamente disponibles en tiendas de juguetes y pasatiempos; Consisten en un par de celdas, cada una de las cuales consta de una papa (limón, etc.) con dos electrodos insertados en ella, conectados en serie para formar una batería con suficiente voltaje para alimentar un reloj digital. ^[72] Las celdas caseras de este tipo no tienen ningún uso práctico.

Se puede hacer una pila voltaica con dos monedas (como una moneda de cinco centavos y una moneda de un centavo ) y un trozo de papel toalla sumergido en agua salada . Una pila de este tipo genera un voltaje muy bajo pero, cuando muchas se apilan en serie , pueden reemplazar las baterías normales durante un breve período de tiempo. ^[73]

Sony ha desarrollado una batería biológica que genera electricidad a partir del azúcar de una manera similar a los procesos observados en los organismos vivos. La batería genera electricidad mediante el uso de enzimas que descomponen los carbohidratos. ^[74]

Las células de plomo-ácido se pueden fabricar fácilmente en casa, pero se necesita un tedioso ciclo de carga / descarga para "formar" las placas. Este es un proceso en el que se forma sulfato de plomo en las placas y, durante la carga, se convierte en dióxido de plomo (placa positiva) y plomo puro (placa negativa). La repetición de este proceso da como resultado una superficie microscópicamente rugosa, lo que aumenta el área de la superficie, lo que aumenta la corriente que puede entregar la celda. ^[75]

Las células Daniell son fáciles de hacer en casa. Las baterías de aluminio-aire se pueden producir con aluminio de alta pureza. Las baterías de papel de aluminio producirán algo de electricidad, pero no son eficientes, en parte porque se produce una cantidad significativa de gas hidrógeno (combustible) .

Perspectivas de 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 estimado 25%, culminando con 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. ^[76]

Las razones importantes de esta alta tasa de crecimiento de la industria de las baterías eléctricas incluyen la electrificación del transporte ^[76] y el despliegue a gran escala en las redes eléctricas, ^[76] respaldado por movimientos antropogénicos impulsados ​​por el cambio climático que se alejan de las fuentes de energía que se queman con combustibles fósiles. a fuentes más limpias y renovables y regímenes de emisión más estrictos.

Las baterías eléctricas distribuidas, como las que se utilizan en los vehículos eléctricos ( vehículo a red ) y en el almacenamiento de energía en el hogar , con medición inteligente y que están conectadas a redes inteligentes para responder a la demanda , son participantes activos en las redes de suministro eléctrico inteligentes. ^[77]Los nuevos métodos de reutilización, como el uso escalonado de baterías parcialmente usadas, aumentan 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 útil más prolongada. En el uso escalonado de las baterías, las baterías eléctricas de los vehículos que tienen su capacidad de batería reducida 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. ^[78]

A mayor escala, las baterías eléctricas se están utilizando para el almacenamiento de energía a nivel industrial y a escala de la red para almacenar la energía generada en una red.

El almacenamiento de energía a escala de la red prevé el uso a gran escala de baterías para recolectar y almacenar energía de la red o una planta de energía y luego descargar esa energía en un momento posterior para proporcionar electricidad u otros servicios de la red cuando sea necesario. El almacenamiento de energía a escala de red (llave en mano o distribuida) son componentes importantes de las redes de suministro de energía inteligente. ^[79]

Ver también

• Batería de Bagdad
• Vehículo eléctrico a batería
• Soporte de la batería
• Aislador de batería
• Sistema de gestión de la batería
• Nomenclatura de la batería
• Paquete de baterías
• Regulaciones sobre baterías en el Reino Unido
• Simulador de batería
• Batería (tubo de vacío)
• Comparación de tipos de baterías
• Profundidad de descarga
• Batería de vehículo eléctrico
• Almacenamiento de energía de la red
• Batería de nanocables
• Búsqueda de la superbatería (película de 2017 de PBS)
• Estado de carga
• Estado de salud
• Carga lenta

Referencias

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enlaces externos

• Medios relacionados con baterías eléctricas en Wikimedia Commons
• Baterías en Curlie
• Pilas no recargables
• HowStuffWorks: cómo funcionan las baterías
• Otros tipos de pilas de batería
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