Una batería de níquel-zinc , abreviada NiZn , es un tipo de batería recargable similar a las baterías de NiCd , pero con un voltaje más alto de 1,6 V.
Energía específica | 100 W · h / kg |
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Densidad de energia | 280 W · h / L |
Poder especifico | > 3000 W / kg |
Energía / precio al consumidor | 2-3 Wh / US $ |
Voltaje nominal de la celda | 1,65 V |
Los sistemas de baterías de níquel - zinc más grandes se conocen desde hace más de 100 años. Desde el año 2000, el desarrollo de un sistema de electrodo de zinc estabilizado ha hecho que esta tecnología sea viable y competitiva con otros sistemas de baterías recargables disponibles comercialmente. A diferencia de otras tecnologías, no se recomienda la carga lenta .
Historia
En 1901, Thomas Alva Edison recibió la patente estadounidense 684,204 por un sistema de batería recargable de níquel-zinc. [1]
La batería fue desarrollada más tarde por el químico irlandés Dr. James J. Drumm (1897-1974), [2] y se instaló en cuatro conjuntos de vagones Drumm de dos vagones entre 1932 y 1949 para su uso en la línea ferroviaria Dublín-Bray . Aunque tuvieron éxito, se retiraron cuando se agotaron las baterías. Las primeras baterías de níquel-zinc proporcionaban solo una pequeña cantidad de ciclos de descarga / recarga. En la década de 1960, las baterías de níquel-zinc se investigaron como una alternativa a las baterías de plata-zinc para aplicaciones militares, y en la década de 1970 volvieron a ser de interés para los vehículos eléctricos. [3] Evercel Inc. desarrolló y patentó varias mejoras en baterías de níquel-zinc, pero se retiró de esa área en 2004. [4]
Aplicaciones
Las baterías de níquel-zinc tienen una curva de carga / descarga similar a las celdas de NiCd o NiMH de 1,2 V , pero con un voltaje nominal de 1,6 V más alto. [5]
Las baterías de níquel-zinc funcionan bien en aplicaciones de alto consumo y pueden tener el potencial de reemplazar las baterías de plomo-ácido debido a su mayor relación energía-masa y mayor relación potencia-masa, tan solo el 25% de la masa por el mismo poder. [6] NiZn son más baratos que las baterías de níquel-cadmio , [6] y se espera que tengan un precio entre NiCd y los tipos de plomo-ácido. El NiZn se puede utilizar como sustituto del níquel-cadmio. El Parlamento Europeo ha apoyado la prohibición de las baterías a base de cadmio; [1] el níquel-zinc es una buena alternativa para herramientas eléctricas y otras aplicaciones. Una desventaja es el aumento de la tasa de autodescarga después de aproximadamente 30-50 ciclos, de modo que las baterías no retienen su carga mientras son nuevas. Donde esto no sea un problema, NiZn es una buena opción de batería para aplicaciones que requieren alta potencia y alto voltaje. [7]
Duración de la batería
En comparación con el hidróxido de cadmio, la tendencia del ion hidróxido de zinc soluble ( zincato ) a disolverse en una solución y no migrar completamente de regreso al cátodo durante la recarga ha presentado, en el pasado, desafíos para la viabilidad comercial de la batería de NiZn. [1] [3] Otro problema común con las baterías recargables de zinc es el cambio de forma del electrodo y las dendritas (o " bigotes "), que pueden reducir el rendimiento de descarga de la celda o, eventualmente, provocar un cortocircuito en la celda, lo que resulta en un ciclo de vida bajo.
Los recientes avances han permitido reducir considerablemente este problema. Estos avances incluyen mejoras en los materiales del separador de electrodos, inclusión de estabilizadores de material de zinc y mejoras de electrolitos (por ejemplo, mediante el uso de fosfatos ). PowerGenix ha desarrollado baterías de 1,6 V con una duración de ciclo de batería similar a la de las baterías de NiCd. [8]
La vida útil del ciclo de la batería se especifica más comúnmente a una profundidad de descarga del 80 por ciento de la capacidad nominal y asumiendo una tasa de corriente de descarga de una hora. A medida que se reduce la corriente de descarga o la profundidad de descarga, aumenta el número de ciclos de carga y descarga de una batería. Al comparar NiZn con otras tecnologías de baterías, las comparaciones de ciclo de vida pueden variar según la tasa de descarga y la profundidad de descarga utilizada.
Ventajas
Las celdas de níquel-zinc tienen un voltaje de circuito abierto de 1,85 voltios cuando están completamente cargadas, [9] y un voltaje nominal de 1,65 V. Esto hace que NiZn sea un excelente reemplazo para los productos electrónicos diseñados para usar celdas primarias alcalinas de 1,5 V. [ cita requerida ] El equipo diseñado para baterías alcalinas no funcionará correctamente por debajo de un voltaje de punto final basado en 1,5 V cuando esté fresco; NiCd y NiMH tienen voltajes de celda nominales de 1,2 V y alcanzarán este punto final antes de que su capacidad de carga se agote por completo. [ cita requerida ]
Las celdas más nuevas, más potentes y con una vida útil de hasta 800 ciclos, pueden ser una alternativa a las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. Debido al voltaje de celda más alto, se requieren menos celdas para un voltaje de paquete dado que para NiCd y NiMH. También tienen bajo interna impedancia (típicamente 5 miliohmios ), que permite altas tasas de descarga de la batería, hasta 50 C . ( C es la capacidad de la batería en Ah, dividida por una hora). [ Cita requerida ]
Las baterías de NiZn no utilizan mercurio, plomo o cadmio, ni hidruros metálicos , todos los cuales pueden ser difíciles de reciclar. [10] Tanto el níquel como el zinc son elementos comunes en la naturaleza y pueden reciclarse por completo.
Las celdas de NiZn no utilizan materiales activos inflamables ni electrolitos orgánicos, y los modelos más nuevos utilizan separadores poliméricos que reducen el problema de las dendritas.
Las celdas de NiZn correctamente diseñadas pueden tener una densidad de potencia muy alta y un rendimiento de descarga a baja temperatura, y también pueden descargarse casi al 100% y recargarse sin problemas. A partir de 2017[actualizar] estaban disponibles en tamaños hasta F y 50Ah / celda prismática.
El zinc es un metal abundante y barato, el elemento número 24 más abundante en la corteza terrestre y no es peligroso para la salud. La oxidación común es +2, por lo que la carga y la descarga mueven dos electrones en lugar de uno como en las baterías de NiMH.
Cargando
Los cargadores de baterías NiZn deben ser capaces de cargar una batería con un voltaje de carga completa de 1,85 V por celda, superior a los 1,4 V de NiMH. La tecnología NiZn es adecuada para ciclos de recarga rápida, ya que se prefieren tasas de carga óptimas de C o C / 2. [11]
Los regímenes de carga conocidos incluyen una corriente constante de C o C / 2 al voltaje de la celda = 1.9 V. Un fabricante [12] recomienda cargar a una corriente constante de C / 4 a C hasta que el voltaje de la celda alcance 1.9V, luego continuar cargando a un voltaje constante de 1,9 V hasta que la corriente de carga descienda a C / 40.
El tiempo de carga máximo se da de forma diversa como 2+1 ⁄ 2 horas [11] y 3 horas. [13] Una vez cargada, no se recomienda la carga lenta continua, ya que no se prevé la recombinación y el exceso de hidrógeno eventualmente se desahogará, lo que afectará negativamente al ciclo de vida de la batería. [ cita requerida ] Un cargador típico para baterías NiZn específicamente no se carga lentamente después de que la batería está completamente cargada, sino que se apaga. [14]
Química
- (-) electrodo: Zn + 4 OH - ⇌ Zn (OH) 4 2− + 2e - (E 0 = −1.2 V / SHE)
- Electrolito: KOH
- Zn (OH) 4 2− ⇌ Zn (OH) 2 + 2OH -
- Zn (OH) 2 ⇌ ZnO + H 2 O
- (+) electrodo: 2 NiO (OH) + 2 H 2 O + 2 e - ⇌ 2 Ni (OH) 2 + 2 OH - (E 0 = +0,50 V / SHE)
- Reacción general: Zn + 2 NiO (OH) + H 2 O ⇌ ZnO + 2 Ni (OH) 2
- Reacción parasitaria: Zn + 2 H 2 O → Zn (OH) 2 + H 2
Ver también
- Comparación de tipos de baterías
- Lista de tamaños de batería
- Lista de tipos de baterías
- Batería de níquel-cadmio
- Batería de zinc-aire
Referencias
- ^ a b c "Construyendo una batería mejor", Kerry A. Dolan, Forbes.com, revista Forbes , 11 de mayo de 2009, consultado el 12 de febrero de 2011, Forbes-44 .
- ^ "Químicos irlandeses famosos: James J. Drumm" . Ul.ie . Archivado desde el original el 22 de julio de 2012 . Consultado el 1 de julio de 2012 .
- ^ a b David Linden (ed.)., Manual de baterías , McGraw Hill, 2002, ISBN 0-07-135978-8 , capítulo 31.
- ^ Informe financiero de Evercel 2007 Archivado el 7 de marzo de 2016 en Wayback Machine , Evercel.com, página 9, obtenido el 23 de noviembre de 2010.
- ^ Problema del medidor de batería , curvas de descarga de NiZn y cortes de voltaje de la cámara, PentaxForums.com
- ^ a b "Níquel Zinc" . EnerSys.com . EnerSys . Consultado el 13 de julio de 2015 .
- ^ Thomas, Justin (16 de marzo de 2012). "Una revisión de las baterías NiZn" . MetaEfficient.com . Tema inSync . Consultado el 10 de agosto de 2020 .
- ^ "Una breve historia de los desarrollos de la batería" , PowerGenix.com, 2010, obtenido el 12 de febrero de 2011. Archivado el 25 de febrero de 2011 en la Wayback Machine.
- ^ [1] Las nuevas baterías de NiZn ofrecen un reciclaje ultrarrápido
- ^ "Ficha de datos de seguridad: pilas de níquel-zinc (celda) Tamaños: Sub-C y prismático" . ZincFive . 24 de mayo de 2019 . Consultado el 10 de agosto de 2020 .
- ^ a b "Especificaciones de la batería AA de PowerGenix" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 15 de febrero de 2010 . Consultado el 1 de julio de 2012 .
- ^ "Instrucciones de carga de níquel-zinc" . Zincfive . Consultado el 5 de junio de 2019 .
- ^ "Cargador rápido PowerGenix NiZn" . Powergenix.com . Archivado desde el original el 23 de abril de 2016 . Consultado el 1 de julio de 2012 .
- ^ "Panel de batería UPStealth NEMA" . - ZincFive (anteriormente PowerGenix) . 2017 . Consultado el 23 de enero de 2017 .