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"NiMH" vuelve a dirigir aquí. Para otros usos, consulte NIMH .
No confundir con batería de níquel-hidrógeno .

Batería de hidruro metálico de níquel
Eneloop 6420.jpg
Células recargables de NiMH modernas
Energía específica60–120 W · h / kg
Densidad de energia140–300 W · h / L
Poder específico250-1.000 W / kg
Eficiencia de carga / descarga66% [1] –92% [2]
Tasa de autodescarga13,9–70,6% a temperatura ambiente
36,4–97,8% a 45 ° C
Baja autodescarga: 0,08–2,9% [3]
(por mes)
Durabilidad del ciclo180 [4] –2000 [5] ciclos
Voltaje nominal de la celda1,2 V

Una batería de hidruro metálico de níquel ( NiMH o Ni – MH ) es un tipo de batería recargable . La reacción química en el electrodo positivo es similar a la de la celda de níquel-cadmio (NiCd), y ambos usan hidróxido de óxido de níquel (NiOOH). Sin embargo, los electrodos negativos utilizan una aleación que absorbe hidrógeno en lugar de cadmio . Las baterías de NiMH pueden tener de dos a tres veces la capacidad de las baterías de NiCd del mismo tamaño, con una densidad de energía significativamente mayor , aunque mucho menor que las baterías de iones de litio . [6]

Historia [ editar ]

Batería AA NiMH desmontada :
  1. Terminal positivo
  2. Carcasa exterior de metal (también terminal negativo)
  3. Electrodo positivo
  4. Electrodo negativo con colector de corriente (rejilla metálica, conectado a carcasa metálica)
  5. Separador (entre electrodos)
Ver también: Historial de la batería

El trabajo con las baterías de NiMH se inició en el Battelle -Geneva Research Center tras la invención de la tecnología en 1967. Se basaba en aleaciones sinterizadas de Ti 2 Ni + TiNi + x y electrodos de NiOOH. [ aclaración necesaria ] El desarrollo fue patrocinado durante casi dos décadas por Daimler-Benz y Volkswagen AG dentro de Deutsche Automobilgesellschaft, ahora una subsidiaria de Daimler AG . La energía específica de las baterías alcanzó los 50 W · h / kg (180 kJ / kg), la potencia específica hasta 1000 W / kg y una vida útil de 500 ciclos de carga (al 100% de profundidad de descarga ). Patentarse presentaron solicitudes en países europeos (prioridad: Suiza), Estados Unidos y Japón. Las patentes transferidas a Daimler-Benz. [7]

El interés creció en la década de 1970 con la comercialización de la batería de níquel-hidrógeno para aplicaciones satelitales. La tecnología de hidruro prometía una forma alternativa y menos voluminosa de almacenar el hidrógeno. La investigación llevada a cabo por Philips Laboratories y el CNRS de Francia desarrolló nuevas aleaciones híbridas de alta energía que incorporan metales de tierras raras para el electrodo negativo. Sin embargo, estos adolecían de inestabilidad de la aleación en el electrolito alcalino y, en consecuencia, un ciclo de vida insuficiente. En 1987, Willems y Buschow demostraron una batería exitosa basada en este enfoque (utilizando una mezcla de La 0.8 Nd 0.2 Ni 2.5 Co 2.4 Si0.1 ), que mantuvo el 84% de su capacidad de carga después de 4000 ciclos de carga-descarga. Pronto se desarrollaron aleaciones más económicamente viables que usaban mischmetal en lugar de lantano . Las células de NiMH modernas se basaron en este diseño. [8] Las primeras células de NiMH aptas para el consumidor se comercializaron en 1989. [9]

En 1998, Ovonic Battery Co. mejoró la estructura y composición de la aleación Ti – Ni y patentó sus innovaciones. [10]

En 2008, se fabricaron más de dos millones de automóviles híbridos en todo el mundo con baterías de NiMH. [11]

En la Unión Europea y debido a su Directiva sobre baterías , las baterías de hidruro metálico de níquel reemplazaron a las baterías de Ni-Cd para uso portátil por parte del consumidor. [12]

Aproximadamente el 22% de las baterías recargables portátiles vendidas en Japón en 2010 eran de NiMH. [13] En Suiza en 2009, la estadística equivalente fue aproximadamente del 60%. [14] Este porcentaje ha disminuido con el tiempo debido al aumento de la fabricación de baterías de iones de litio: en 2000, casi la mitad de todas las baterías recargables portátiles vendidas en Japón eran de NiMH. [13]

En 2015, BASF produjo una microestructura modificada que ayudó a que las baterías de NiMH fueran más duraderas, lo que a su vez permitió cambios en el diseño de la celda que ahorraron un peso considerable, lo que permitió que la energía específica alcanzara los 140 vatios-hora por kilogramo. [15]

Electroquímica [ editar ]

La reacción del electrodo negativo que ocurre en una celda de NiMH es

H 2 O + M + e - ⇌ OH - + MH

En el electrodo positivo, se forma oxihidróxido de níquel, NiO (OH):

Ni (OH) 2 + OH - ⇌ NiO (OH) + H 2 O + e -

Las reacciones proceden de izquierda a derecha durante la carga y al revés durante la descarga. El metal M en el electrodo negativo de una celda de NiMH es un compuesto intermetálico . Se han desarrollado muchos compuestos diferentes para esta aplicación, pero los que se utilizan actualmente se dividen en dos clases. El más común es AB 5 , donde A es una mezcla de tierras raras de lantano , cerio , neodimio , praseodimio y B es níquel , cobalto , manganeso o aluminio . Algunas celdas utilizan materiales de electrodo negativo de mayor capacidad basados ​​en AB 2compuestos, donde A es titanio o vanadio , y B es circonio o níquel, modificado con cromo , cobalto, hierro o manganeso. [16] Cualquiera de estos compuestos cumple la misma función, formando reversiblemente una mezcla de compuestos de hidruro metálico.

Cuando se sobrecarga a velocidades bajas, el oxígeno producido en el electrodo positivo pasa a través del separador y se recombina en la superficie del negativo. Se suprime el desprendimiento de hidrógeno y la energía de carga se convierte en calor. Este proceso permite que las celdas de NiMH permanezcan selladas en funcionamiento normal y no requieran mantenimiento.

Las celdas de NiMH tienen un electrolito alcalino , generalmente hidróxido de potasio . El electrodo positivo es hidróxido de níquel y el electrodo negativo es hidrógeno en forma de hidruro metálico intersticial. [17] Las telas no tejidas de poliolefina hidrófilas se utilizan para la separación. [18]

Batería bipolar [ editar ]

Ver también: batería bipolar

Se están desarrollando baterías de NiMH de diseño bipolar (baterías bipolares) porque ofrecen algunas ventajas para aplicaciones como sistemas de almacenamiento para vehículos eléctricos. El separador de gel de membrana de polímero sólido podría ser útil para tales aplicaciones en diseño bipolar. En otras palabras, este diseño puede ayudar a evitar cortocircuitos que se producen en los sistemas de líquido-electrolito. [19]

Cargar [ editar ]

El voltaje de carga está en el rango de 1.4–1.6 V por celda. En general, no se puede utilizar un método de carga de voltaje constante para la carga automática. Cuando se carga rápidamente, es recomendable cargar las celdas de NiMH con un cargador de batería inteligente para evitar la sobrecarga , que puede dañar las celdas. [20]

Carga lenta [ editar ]

El método de carga más simple y seguro es con una corriente baja fija, con o sin temporizador. La mayoría de los fabricantes afirman que la sobrecarga es segura a corrientes muy bajas, por debajo de 0,1  C ( C / 10) (donde C es la corriente equivalente a la capacidad de la batería dividida por una hora). [21] El manual de carga de NiMH de Panasonic advierte que la sobrecarga durante un tiempo suficiente puede dañar una batería y sugiere limitar el tiempo total de carga a 10-20 horas. [20]

Duracell sugiere además que se puede usar una carga lenta a C / 300 para baterías que deben mantenerse en un estado de carga completa. [21] Algunos cargadores hacen esto después del ciclo de carga, para compensar la autodescarga natural. Energizer [17] sugiere un enfoque similar, que indica que la autocatálisis puede recombinar el gas formado en los electrodos para velocidades de carga de hasta C / 10. Esto conduce al calentamiento de la celda. La empresa recomienda C / 30 o C / 40 para aplicaciones indefinidas donde la vida útil es importante. Este es el enfoque adoptado en las aplicaciones de iluminación de emergencia, donde el diseño sigue siendo esencialmente el mismo que en las unidades de NiCd más antiguas, excepto por un aumento en el valor de la resistencia de carga lenta. [cita requerida ]

El manual de Panasonic recomienda que las baterías de NiMH en espera se carguen con un enfoque de ciclo de trabajo más bajo , donde se usa un pulso de una corriente más alta cuando el voltaje de la batería cae por debajo de 1.3 V. Esto puede extender la vida útil de la batería y consumir menos energía. [20]

Método de carga Δ V [ editar ]

Curva de carga de NiMH

Para evitar daños en las celdas, los cargadores rápidos deben terminar su ciclo de carga antes de que se produzca una sobrecarga. Un método es monitorear el cambio de voltaje con el tiempo. Cuando la batería está completamente cargada, el voltaje en sus terminales cae ligeramente. El cargador puede detectar esto y dejar de cargar. Este método se usa a menudo con celdas de níquel-cadmio, que muestran una gran caída de voltaje con carga completa. Sin embargo, la caída de voltaje es mucho menos pronunciada para NiMH y puede ser inexistente a tasas de carga bajas, lo que puede hacer que el enfoque no sea confiable. [21]

Otra opción es monitorear el cambio de voltaje con respecto al tiempo y detenerse cuando este se vuelve cero, pero esto corre el riesgo de cortes prematuros. [21] Con este método, una velocidad de carga mucho más alta puede ser utilizado que con una carga de mantenimiento, hasta 1  C . A esta tasa de carga, Panasonic recomienda terminar la carga cuando el voltaje cae de 5 a 10 mV por celda desde el voltaje pico. [20] Dado que este método mide el voltaje en la batería, se utiliza un circuito de carga de corriente constante (en lugar de un voltaje constante).

Método de carga Δ T [ editar ]

El método de cambio de temperatura es similar en principio al método Δ V. Debido a que el voltaje de carga es casi constante, la carga de corriente constante entrega energía a una tasa casi constante. Cuando la celda no está completamente cargada, la mayor parte de esta energía se convierte en energía química. Sin embargo, cuando la celda alcanza la carga completa, la mayor parte de la energía de carga se convierte en calor. Esto aumenta la tasa de cambio de temperatura de la batería, que puede ser detectada por un sensor como un termistor . Tanto Panasonic como Duracell sugieren una tasa máxima de aumento de temperatura de 1 ° C por minuto. El uso de un sensor de temperatura permite un corte absoluto de temperatura, que Duracell sugiere a 60 ° C. [21] Tanto con Δ T como con Δ Vmétodos de carga, ambos fabricantes recomiendan un período adicional de carga lenta para seguir a la carga rápida inicial. [ cita requerida ]

Seguridad [ editar ]

Celda de NiMH que se rompió debido a una válvula de seguridad defectuosa

Un fusible reiniciable en serie con la celda, particularmente del tipo de tira bimetálica , aumenta la seguridad. Este fusible se abre si la corriente o la temperatura aumentan demasiado. [21]

Las celdas de NiMH modernas contienen catalizadores para manejar los gases producidos por la sobrecarga ( ). Sin embargo, esto solo funciona con corrientes de sobrecarga de hasta 0,1  C (es decir, capacidad nominal dividida por diez horas). Esta reacción hace que las baterías se calienten, poniendo fin al proceso de carga. [21]

Un método de carga muy rápida llamado control de carga en la celda implica un interruptor de presión interno en la celda, que desconecta la corriente de carga en caso de sobrepresión.

Un riesgo inherente a la química de NiMH es que la sobrecarga hace que se forme gas hidrógeno, lo que podría romper la celda. Por lo tanto, las celdas tienen un respiradero para liberar el gas en caso de una sobrecarga grave. [22]

Las baterías de NiMH están fabricadas con materiales ecológicos. [23] Las baterías contienen solo sustancias levemente tóxicas y son reciclables. [17]

Pérdida de capacidad [ editar ]

Puede producirse una depresión de voltaje (a menudo atribuida erróneamente al efecto memoria ) por descargas parciales repetidas, pero es reversible con unos pocos ciclos completos de descarga / carga. [24]

Descarga [ editar ]

Una celda completamente cargada suministra un promedio de 1,25 V / celda durante la descarga, disminuyendo a aproximadamente 1,0-1,1 V / celda (una descarga adicional puede causar daños permanentes en el caso de paquetes de varias celdas, debido a la inversión de polaridad). Bajo una carga ligera (0,5 amperios), el voltaje de arranque de una celda AA NiMH recién cargada en buenas condiciones es de aproximadamente 1,4 voltios. [25]

Descarga excesiva [ editar ]

La descarga completa de paquetes de varias celdas puede causar polaridad inversa en una o más celdas, lo que puede dañarlas permanentemente. Esta situación puede ocurrir en la disposición común de cuatro pilas AA en serie en una cámara digital , donde una se descarga completamente antes que las otras debido a pequeñas diferencias de capacidad entre las pilas. Cuando esto sucede, las celdas buenas comienzan a impulsar la celda descargada a polaridad inversa (es decir, ánodo positivo / cátodo negativo). Algunas cámaras, receptores GPS y PDA detectan el voltaje seguro de final de descarga de las celdas de la serie y realizan un apagado automático, pero los dispositivos como linternas y algunos juguetes no lo hacen.

El daño irreversible por inversión de polaridad es un peligro particular, incluso cuando se emplea un corte de umbral de voltaje bajo, cuando las celdas varían en temperatura. Esto se debe a que la capacidad disminuye significativamente a medida que se enfrían las celdas. Esto da como resultado un voltaje más bajo bajo carga de las celdas más frías. [26]

Autodescarga [ editar ]

Históricamente, las celdas de NiMH han tenido una tasa de autodescarga algo más alta (equivalente a una fuga interna) que las celdas de NiCd. La tasa de autodescarga varía mucho con la temperatura, donde una temperatura de almacenamiento más baja conduce a una descarga más lenta y una mayor duración de la batería. La autodescarga es de 5 a 20% el primer día y se estabiliza alrededor de 0,5 a 4% por día a temperatura ambiente . [27] [28] [29] [30] [31] Pero a 45 ° C es aproximadamente tres veces más alto. [21]

Baja autodescarga [ editar ]

La batería de hidruro metálico de níquel de baja autodescarga ( LSD NiMH ) tiene una tasa de autodescarga significativamente menor. La innovación fue introducida en 2005 por Sanyo , marca Eneloop . [32]Al utilizar un separador de electrodos mejorado y un electrodo positivo mejorado, los fabricantes afirman que las celdas retienen entre un 70% y un 85% de su capacidad cuando se almacenan durante un año a 20 ° C (68 ° F), en comparación con aproximadamente la mitad de las baterías de NiMH normales. Por lo demás, son similares a las baterías de NiMH estándar y se pueden cargar en cargadores de NiMH típicos. Estas pilas se comercializan como recargables "híbridas", "listas para usar" o "precargadas". La retención de la carga depende en gran parte de la resistencia a las fugas de la batería (cuanto más alta, mejor) y de su tamaño físico y capacidad de carga.

Los separadores mantienen los dos electrodos separados para ralentizar la descarga eléctrica al tiempo que permiten el transporte de portadores de carga iónica que cierran el circuito durante el paso de la corriente . [33] Los separadores de alta calidad son fundamentales para el rendimiento de la batería.

La tasa de autodescarga depende del espesor del separador; Los separadores más gruesos reducen la autodescarga, pero también reducen la capacidad, ya que dejan menos espacio para los componentes activos, y los separadores delgados conducen a una mayor autodescarga. Algunas baterías pueden haber superado este compromiso mediante el uso de separadores delgados fabricados con mayor precisión y un separador de poliolefina sulfonada, una mejora con respecto a la poliolefina hidrófila a base de etileno vinil alcohol . [34]

Las celdas de baja autodescarga tienen una capacidad algo menor que las celdas de NiMH equivalentes debido al mayor volumen del separador. Las pilas AA de baja autodescarga de mayor capacidad tienen una capacidad de 2500 mAh, en comparación con los 2700 mAh de las pilas AA NiMH de alta capacidad. [35]

Comparado con otros tipos de baterías [ editar ]

Las pilas de NiMH se utilizan a menudo en cámaras digitales y otros dispositivos de alto consumo, donde durante el uso de una sola carga superan a las pilas primarias (como las alcalinas).

Las celdas de NiMH son ventajosas para aplicaciones de alto consumo de corriente, en gran parte debido a su menor resistencia interna. Las baterías alcalinas típicas de tamaño AA, que ofrecen aproximadamente 2600 mAh de capacidad a baja demanda de corriente (25 mA), proporcionan solo 1300 mAh de capacidad con una carga de 500 mA. [36] Las cámaras digitales con LCD y linternas pueden consumir más de 1000 mA, lo que los agota rápidamente. Las células de NiMH pueden suministrar estos niveles de corriente sin una pérdida de capacidad similar. [17]

Los dispositivos que fueron diseñados para operar usando celdas de química alcalina primaria (o zinc-carbono / cloruro) pueden no funcionar con celdas de NiMH. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos compensan la caída de voltaje de una batería alcalina cuando se descarga hasta aproximadamente 1 voltio. La baja resistencia interna permite que las celdas de NiMH entreguen un voltaje casi constante hasta que se descarguen casi por completo. Por lo tanto, los indicadores de nivel de batería diseñados para leer las pilas alcalinas exageran la carga restante cuando se utilizan con pilas de NiMH, ya que el voltaje de las pilas alcalinas disminuye constantemente durante la mayor parte del ciclo de descarga.

Las baterías de iones de litio tienen una energía específica más alta que las baterías de hidruro metálico de níquel, [37] pero son significativamente más caras. [38] También producen un voltaje más alto (3,2–3,7 V nominal) y, por lo tanto, no son un reemplazo directo de las baterías alcalinas sin circuitos para reducir el voltaje.

En 2005 , las baterías de hidruro metálico de níquel constituían el tres por ciento del mercado de baterías. [23]

Aplicaciones [ editar ]

Batería Ni-MH de alta potencia de Toyota NHW20 Prius , Japón
Paquete de baterías de hidruro metálico de níquel de 24 V fabricado por VARTA , Museum Autovision , Altlussheim , Alemania

Electrónica de consumo [ editar ]

Las baterías de NiMH han reemplazado al NiCd para muchas funciones, en particular las baterías recargables pequeñas. Las baterías de NiMH se encuentran comúnmente disponibles en baterías AA (del tamaño de una linterna ). Estos tienen capacidades de carga nominales ( C ) de 1.1–2.8 Ah a 1.2 V, medidas a la tasa que descarga la celda en 5 horas. La capacidad de descarga útil es una función decreciente de la tasa de descarga, pero hasta una tasa de alrededor de 1 × C (descarga completa en 1 hora), no difiere significativamente de la capacidad nominal. [24] Las baterías de NiMH funcionan nominalmente a 1.2 V por celda, algo más bajo que las celdas convencionales de 1.5 V, pero pueden operar muchos dispositivos diseñados para ese voltaje .

Vehículos eléctricos [ editar ]

Artículos principales: Vehículo eléctrico , vehículo eléctrico de batería , ¿Quién mató al coche eléctrico? , Coche eléctrico y Gravamen de patentes de grandes baterías de NiMH para automóviles
Módulo de batería GM Ovonic NiMH

Las baterías de NiMH se utilizaban con frecuencia en vehículos eléctricos e híbridos eléctricos de generaciones anteriores; a partir de 2020 se han reemplazado casi por completo con baterías de litio en vehículos híbridos enchufables y totalmente eléctricos, pero siguen en uso en algunos vehículos híbridos (Toyota Highlander 2020, por ejemplo). [39] Los vehículos enchufables totalmente eléctricos anteriores incluían General Motors EV1 , Toyota RAV4 EV de primera generación , Honda EV Plus , Ford Ranger EV y scooter Vectrix . Todos los vehículos híbridos de primera generación usaban baterías NIMH, sobre todo el Toyota Prius y el Honda Insight , así como los modelos posteriores, incluido elFord Escape Hybrid , Chevrolet Malibu Hybrid y Honda Civic Hybrid también los usan.

Problemas de patentes [ editar ]

Stanford R. Ovshinsky inventó y patentó una mejora popular de la batería de NiMH y fundó Ovonic Battery Company en 1982. General Motors compró la patente de Ovonics en 1994. A fines de la década de 1990, las baterías de NiMH se estaban utilizando con éxito en muchos vehículos totalmente eléctricos, como la minivan General Motors EV1 y Dodge Caravan EPIC .

Esta generación de coches eléctricos, aunque exitosa, fue retirada abruptamente del mercado.

En octubre de 2000, la patente se vendió a Texaco , y una semana después, Chevron adquirió Texaco . La subsidiaria Cobasys de Chevron proporciona estas baterías solo a grandes pedidos de OEM. General Motors cerró la producción del EV1 , citando la falta de disponibilidad de la batería como un obstáculo principal. El control de Cobasys de las baterías de NiMH creó un gravamen de patente para las grandes baterías de NiMH para automóviles. [40] [41] [42] [43] [44]

Ver también [ editar ]

  • Batería automotriz
  • Reciclaje de baterías
  • Comparación de tipos de baterías comerciales
  • Electrodo de difusión de gas
  • Batería de ácido sólido
  • Lista de tamaños de batería
  • Lista de tipos de baterías
  • Batería de iones de litio
  • Batería de fosfato de hierro y litio
  • Batería de níquel-zinc
  • Hidróxido de níquel (II)
  • Óxido de níquel (III)
  • Gravamen de patentes de grandes baterías de NiMH para automóviles
  • Relación peso-potencia

Referencias [ editar ]

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  2. ^ "Retención de la capacidad y eficiencia energética de las baterías de Ni-MH para aplicaciones de almacenamiento" .
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Enlaces externos [ editar ]

  • "Batería de hidruro metálico de níquel bipolar" de Martin G. Klein, Michael Eskra, Robert Plivelich y Paula Ralston
  • Manual de aplicación y manual de hidruro metálico de níquel (NiMH) de Energizer
  • Patente de Chevron / Texaco sobre la batería NiMH
  • Carga y seguridad de la batería NiMH