Articulo de referencia

Batería de níquel-cadmio

Valøen, Lars Ole and Shoesmith, Mark I. (2007). [https://web.archive.org/web/20090326150713/http://www.pluginhighway.ca/PHEV2007/proceedings/PluginHwy_PHEV2007_PaperReviewed_Val...

La batería de níquel-cadmio ( batería Ni-Cd o batería NiCad ) es un tipo de batería recargable que utiliza hidróxido de óxido de níquel y cadmio metálico como electrodos . La abreviatura Ni-Cd deriva de los símbolos químicos del níquel (Ni) y el cadmio (Cd); la abreviatura NiCad es una marca registrada de SAFT Corporation , aunque este nombre comercial se usa comúnmente para describir todas las baterías Ni-Cd.

Las baterías de níquel-cadmio de celda húmeda se inventaron en 1899. Una batería de Ni-Cd tiene un voltaje terminal durante la descarga de alrededor de 1,2 voltios, que disminuye poco hasta casi el final de la descarga. La fuerza electromotriz máxima que ofrece una celda de Ni-Cd es de 1,3  V. Las baterías de Ni-Cd se fabrican en una amplia gama de tamaños y capacidades, desde tipos sellados portátiles intercambiables con pilas secas de carbono-zinc, hasta grandes celdas ventiladas utilizadas para energía de reserva y energía motriz. En comparación con otros tipos de celdas recargables, ofrecen una buena vida útil y rendimiento a bajas temperaturas con una capacidad aceptable, pero su ventaja significativa es la capacidad de entregar prácticamente toda su capacidad nominal a altas tasas de descarga (descarga en una hora o menos). Sin embargo, los materiales son más costosos que los de la batería de plomo-ácido , y las celdas tienen altas tasas de autodescarga.

Las pilas selladas de Ni-Cd se utilizaron ampliamente en herramientas eléctricas portátiles, equipos fotográficos, linternas , iluminación de emergencia, vehículos RC de radiocontrol y dispositivos electrónicos portátiles. La mayor capacidad de las baterías de níquel-metal hidruro y su reciente menor coste han sustituido en gran medida el uso de Ni-Cd. Además, el impacto ambiental de la eliminación del metal tóxico cadmio ha contribuido considerablemente a la reducción de su uso. En la Unión Europea, las baterías de Ni-Cd ahora solo se pueden suministrar para su reemplazo o para ciertos tipos de equipos nuevos, como dispositivos médicos. [ 2 ]

Las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) de celda húmeda ventiladas de mayor tamaño se utilizan en iluminación de emergencia, alimentación de reserva, sistemas de alimentación ininterrumpida y otras aplicaciones.

Historia

La primera batería de níquel-cadmio (Ni-Cd) fue creada por Waldemar Jungner de Suecia en 1899. En aquel entonces, el único competidor directo era la batería de plomo-ácido , que era menos robusta física y químicamente. Con pequeñas mejoras en los primeros prototipos, la densidad de energía aumentó rápidamente hasta alcanzar aproximadamente la mitad de la de las baterías primarias, y fue significativamente mayor que la de las baterías de plomo-ácido. Jungner experimentó con la sustitución del cadmio por hierro en diferentes cantidades, pero descubrió que las formulaciones de hierro eran deficientes. El trabajo de Jungner fue en gran medida desconocido en los Estados Unidos. Thomas Edison patentó una batería de níquel-cadmio o cobalto-cadmio en 1902, [ 3 ] y adaptó el diseño de la batería cuando introdujo la batería de níquel-hierro en los EE. UU. dos años después de que Jungner hubiera construido una. En 1906, Jungner estableció una fábrica cerca de Oskarshamn, Suecia, para producir baterías de níquel-cadmio de diseño inundado.

En 1932, se depositaron materiales activos dentro de un electrodo poroso niquelado y quince años después se comenzó a trabajar en una batería sellada de níquel-cadmio.

La primera producción en Estados Unidos comenzó en 1946. Hasta ese momento, las baterías eran del tipo "de bolsillo", construidas con bolsillos de acero niquelado que contenían materiales activos de níquel y cadmio . Hacia mediados del siglo XX, las baterías de Ni-Cd de placas sinterizadas se hicieron cada vez más populares. La fusión de polvo de níquel a una temperatura muy inferior a su punto de fusión mediante altas presiones crea placas sinterizadas. Las placas así formadas son altamente porosas, aproximadamente un 80 por ciento en volumen. Las placas positivas y negativas se producen sumergiendo las placas de níquel en materiales activos de níquel y cadmio, respectivamente. Las placas sinterizadas suelen ser mucho más delgadas que las del tipo de bolsillo, lo que resulta en una mayor superficie por volumen y corrientes más altas. En general, cuanto mayor sea la cantidad de superficie de material reactivo en una batería, menor será su resistencia interna .

Desde la década de 2000, todas las baterías de níquel-cadmio para el consumidor utilizan la configuración de rollo de gelatina .

Características

La tasa máxima de descarga de una batería de níquel-cadmio varía según su tamaño. Para una pila AA común , la tasa máxima de descarga es de aproximadamente 1,8  amperios; para una pila D, la tasa de descarga puede llegar a ser de hasta 3,5  amperios.

Los constructores de aeromodelos o maquetas de barcos suelen utilizar corrientes mucho mayores, de hasta cien amperios, procedentes de baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) especialmente diseñadas para alimentar los motores principales. Con baterías bastante pequeñas se consiguen fácilmente entre 5 y 6 minutos de funcionamiento, lo que proporciona una relación potencia-peso razonablemente alta, comparable a la de los motores de combustión interna , aunque con menor duración. Sin embargo, en este aspecto, las baterías de polímero de litio (LiPo) y de fosfato de hierro y litio (LiFe) las han superado en gran medida , ya que ofrecen densidades energéticas aún mayores.

Voltaje

Las celdas de Ni-Cd tienen un potencial nominal de 1,2  voltios (V). Este valor es inferior a los 1,5  V de las pilas alcalinas y de zinc-carbono, por lo que no son adecuadas como reemplazo en todas las aplicaciones. Sin embargo, los 1,5 V de una pila alcalina se refieren a su voltaje inicial, no al promedio. A diferencia de las pilas alcalinas y de zinc-carbono, el voltaje terminal de una celda de Ni-Cd varía muy poco durante la descarga. Dado que muchos dispositivos electrónicos están diseñados para funcionar con pilas que pueden descargarse hasta 0,90 a 1,0  V por celda, los 1,2  V relativamente estables de una celda de Ni-Cd son suficientes para su funcionamiento. Algunos consideran que este voltaje casi constante es una desventaja, ya que dificulta la detección de la capacidad de carga química restante de una celda en funcionamiento.

Las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) que se usan para reemplazar  las baterías de 9 V generalmente solo tienen seis celdas, lo que da un voltaje terminal de 7,2  voltios. Si bien la mayoría de las radios portátiles funcionan satisfactoriamente con este voltaje, algunos fabricantes, como Varta, fabricaban  baterías de 8,4 voltios con siete celdas para aplicaciones más exigentes.

Carga

Las baterías de Ni-Cd se pueden cargar a diferentes velocidades, según su fabricación. La velocidad de carga se mide en función del porcentaje de la capacidad en amperios-hora que se suministra a la batería con una corriente constante durante la carga. Independientemente de la velocidad de carga, se debe suministrar a la batería más energía que su capacidad real para compensar la pérdida de energía durante la carga, siendo las cargas más rápidas más eficientes. Por ejemplo, una carga "nocturna" podría consistir en suministrar una corriente equivalente a una décima parte de la capacidad en amperios-hora (C/10) durante 14-16 horas; es decir, una  batería de 100 mAh requiere 10  mA durante 14 horas, para una  carga total de 140 mAh a esta velocidad. A la velocidad de carga rápida, que se realiza al 100 % de la capacidad nominal de la batería en 1 hora (1C), la batería conserva aproximadamente el 80 % de la carga, por lo que una  batería de 100 mAh requiere 125  mAh para cargarse (es decir, aproximadamente 1 hora y quince minutos). Algunas baterías especializadas pueden cargarse en tan solo 10-15 minutos a una velocidad de carga de 4C o 6C, pero esto es muy poco común. Además, aumenta considerablemente el riesgo de sobrecalentamiento y fugas de las celdas debido a una sobrepresión interna: la velocidad de aumento de temperatura de la celda está determinada por su resistencia interna y el cuadrado de la velocidad de carga. A una velocidad de 4C, la cantidad de calor generada en la celda es dieciséis veces mayor que a una velocidad de 1C. La desventaja de una carga más rápida es el mayor riesgo de sobrecarga , que puede dañar la batería, y las temperaturas elevadas que la celda debe soportar (lo que potencialmente acorta su vida útil).

El rango de temperatura seguro durante su uso es de entre -20  °C y 45  °C. Durante la carga, la temperatura de la batería suele mantenerse baja, similar a la temperatura ambiente (la reacción de carga absorbe energía), pero a medida que la batería se acerca a la carga completa, la temperatura aumenta hasta los 45-50  °C. Algunos cargadores de batería detectan este aumento de temperatura para interrumpir la carga y evitar la sobrecarga.

Cuando no está bajo carga, una batería de Ni-Cd se autodescarga aproximadamente un 10 % al mes a 20  °C, llegando hasta un 20 % al mes a temperaturas más altas. Es posible realizar una carga lenta con niveles de corriente suficientes para compensar esta tasa de descarga y mantener la batería completamente cargada. Sin embargo, si la batería se va a almacenar sin usar durante un período prolongado, debe descargarse hasta un máximo del 40 % de su capacidad (algunos fabricantes recomiendan descargarla completamente e incluso cortocircuitarla una vez descargada por completo [ 4 ] ), y almacenarse en un ambiente fresco y seco.

Cobro excesivo

Las celdas selladas de Ni-Cd constan de un recipiente a presión diseñado para contener la generación de oxígeno e hidrógeno gaseosos hasta que se recombinen para formar agua. Esta generación suele ocurrir durante la carga y descarga rápidas, y especialmente en condiciones de sobrecarga. Si la presión supera el límite de la válvula de seguridad, se produce una pérdida de agua en forma de gas. Dado que el recipiente está diseñado para contener una cantidad exacta de electrolito, esta pérdida afectará rápidamente la capacidad de la celda y su capacidad para recibir y suministrar corriente. Detectar todas las condiciones de sobrecarga requiere un circuito de carga muy sofisticado, y un cargador económico acabará dañando incluso las celdas de mejor calidad. [ 5 ]

Electroquímica

Una pila de Ni-Cd completamente cargada contiene:

Las baterías de Ni-Cd suelen tener una carcasa metálica con una placa de sellado equipada con una válvula de seguridad autosellante . Las placas de los electrodos positivo y negativo, aisladas entre sí por el separador, están enrolladas en espiral dentro de la carcasa. Este diseño, conocido como diseño de bobina, permite que una celda de Ni-Cd proporcione una corriente máxima mucho mayor que una celda alcalina de tamaño equivalente. Las celdas alcalinas tienen una construcción de bobina, donde la carcasa se llena con electrolito y contiene una varilla de grafito que actúa como electrodo positivo. Dado que una superficie relativamente pequeña del electrodo está en contacto con el electrolito (a diferencia del diseño de bobina), la resistencia interna de una celda alcalina de tamaño equivalente es mayor, lo que limita la corriente máxima que puede proporcionar.

Las reacciones químicas que tienen lugar en el electrodo de cadmio durante la descarga son:

Cd+2OHCd(OH)2+2mi{\displaystyle {\ce {Cd + 2OH^- -> Cd(OH)2 + 2e^-}}}

Las reacciones en el electrodo de óxido de níquel son:

2NiO(OH)+2H2O+2mi2Ni(OH)2+2OH{\displaystyle {\ce {2NiO(OH) + 2H2O + 2e^- -> 2Ni(OH)2 + 2OH^-}}}

La reacción neta durante la descarga es

Cd+2NiO(OH)Cd(OH)2+2Ni(OH)2{\displaystyle {\ce {Cd + 2NiO(OH) -> Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2.}}}

Durante la recarga, las reacciones se producen de derecha a izquierda. El electrolito alcalino (generalmente KOH) no se consume en esta reacción y, por lo tanto, su densidad , a diferencia de lo que ocurre en las baterías de plomo-ácido, no indica su estado de carga.

Cuando Jungner construyó las primeras baterías de níquel-cadmio, utilizó óxido de níquel en el electrodo positivo y hierro y cadmio en el negativo. No fue hasta más tarde que se empezaron a usar cadmio metálico puro e hidróxido de níquel . Hasta aproximadamente 1960, la reacción química no se comprendía del todo. Existían diversas hipótesis sobre los productos de la reacción. El debate se resolvió finalmente mediante espectroscopia infrarroja , que reveló la presencia de hidróxido de cadmio e hidróxido de níquel.

Otra variante históricamente importante de la celda básica de níquel-cadmio es la adición de hidróxido de litio al electrolito de hidróxido de potasio. Se creía que esto prolongaba la vida útil al hacer que la celda fuera más resistente a las descargas eléctricas. Sin embargo, la batería de níquel-cadmio en su forma moderna es extremadamente resistente a las descargas eléctricas, por lo que esta práctica se ha abandonado.

Baterías prismáticas (industriales) de celda ventilada

Vista lateral de una batería de avión de celdas ventiladas.
Estructura de una celda en una batería de celda ventilada.

Las celdas inundadas más grandes se utilizan para baterías de arranque de aeronaves , energía de reserva y marginalmente en vehículos eléctricos ,

Las baterías de Ni-Cd de celda ventilada ( celda húmeda , celda inundada ) se utilizan cuando se requieren grandes capacidades y altas tasas de descarga. A diferencia de las celdas de Ni-Cd típicas, que están selladas (véase la siguiente sección), las celdas ventiladas cuentan con una válvula de ventilación o de liberación de baja presión que expulsa los gases de oxígeno e hidrógeno generados durante una sobrecarga o descarga rápida. Dado que la batería no es un recipiente a presión , es más segura, pesa menos y tiene una estructura más simple y económica. Esto también significa que la batería no suele dañarse por tasas excesivas de sobrecarga, descarga o incluso carga negativa.

Se utilizan en aviación, ferrocarriles y transporte público, como fuente de alimentación de respaldo para telecomunicaciones, para el arranque de motores en turbinas de reserva, etc. El uso de baterías de níquel-cadmio con celdas ventiladas reduce el tamaño, el peso y los requisitos de mantenimiento en comparación con otros tipos de baterías. Estas baterías tienen una larga vida útil (hasta 20 años o más, según el tipo) y funcionan a temperaturas extremas (de -40 a 70  °C).

Una caja de acero para baterías contiene las celdas conectadas en serie para obtener el voltaje deseado (1,2  V nominal por celda). Las celdas suelen estar hechas de poliamida ( nylon ) ligera y duradera, con múltiples placas de níquel-cadmio soldadas entre sí para cada electrodo en su interior. Un separador o revestimiento de caucho de silicona actúa como aislante y barrera de gas entre los electrodos. Las celdas se inundan con un electrolito de solución acuosa al 30 % de hidróxido de potasio ( KOH ). La densidad del electrolito no indica si la batería está descargada o completamente cargada, sino que varía principalmente con la evaporación del agua. La parte superior de la celda contiene un espacio para el exceso de electrolito y una válvula de alivio de presión. Grandes pernos de cobre niquelado y gruesos enlaces de interconexión aseguran una resistencia serie equivalente mínima para la batería.

La liberación de gases indica que la batería se está descargando o recargando a un ritmo elevado. Esto significa que el electrolito perdido durante la liberación debe reponerse periódicamente mediante un mantenimiento rutinario. Dependiendo de los ciclos de carga y descarga y del tipo de batería, el periodo de mantenimiento puede variar desde unos pocos meses hasta un año.

El voltaje de las celdas ventiladas aumenta rápidamente al final de la carga, lo que permite utilizar circuitos de carga muy simples. Normalmente, una batería se carga a corriente constante a una tasa de 1 CA hasta que todas las celdas alcanzan al menos 1,55  V. A continuación, se realiza otro ciclo de carga a una tasa de 0,1 CA, nuevamente hasta que todas las celdas alcanzan 1,55  V. La carga finaliza con una carga de ecualización o de mantenimiento, generalmente durante no menos de 4 horas a una tasa de 0,1 CA. El propósito de la sobrecarga es expulsar la mayor cantidad posible (si no la totalidad) de los gases acumulados en los electrodos (hidrógeno en el negativo y oxígeno en el positivo). Algunos de estos gases se recombinan para formar agua, lo que a su vez eleva el nivel del electrolito a su nivel máximo, después del cual es seguro ajustar los niveles de electrolito. Durante la sobrecarga o la carga de mantenimiento, los voltajes de las celdas superarán los 1,6  V y luego comenzarán a descender lentamente. Ninguna celda debe superar los 1,71  V (celda seca) ni descender por debajo de los 1,55  V (barrera de gas rota).

En una instalación aeronáutica con un sistema eléctrico de batería flotante, el regulador de voltaje se ajusta para cargar la batería a un potencial constante (normalmente 14 o 28  V). Si este voltaje es demasiado alto, se producirá una rápida pérdida de electrolito. Un regulador de carga defectuoso puede permitir que el voltaje de carga supere con creces este valor, provocando una sobrecarga masiva con ebullición del electrolito.

Celdas selladas (portátiles)

Ocho baterías de Ni-Cd en un paquete de baterías

La mayoría de los usos que se describen a continuación se muestran con fines históricos, ya que las baterías selladas (portátiles) de Ni-Cd han sido progresivamente sustituidas por celdas de iones de litio de mayor rendimiento, y su comercialización en el mercado de la UE ha estado prohibida, en su mayor parte, desde 2006 por la Directiva 2006/66/CE sobre baterías de la UE.

Las celdas selladas de Ni-Cd se usaban individualmente o en paquetes de baterías que contenían dos o más celdas. Las celdas pequeñas se usan en dispositivos electrónicos portátiles y juguetes (como luces solares para jardín), a menudo fabricadas con el mismo tamaño que las pilas primarias . Cuando se sustituyen las pilas primarias por baterías de Ni-Cd, el menor voltaje en los terminales y la menor capacidad en amperios-hora pueden reducir el rendimiento en comparación con las pilas primarias. Las pilas de botón en miniatura se usan a veces en equipos fotográficos, lámparas de mano (linternas), memoria de espera de computadoras, juguetes y artículos de novedad.

Las baterías especiales de níquel-cadmio se utilizaban en teléfonos inalámbricos, iluminación de emergencia y otras aplicaciones. Gracias a su resistencia interna relativamente baja , pueden suministrar altas corrientes de arranque . Esto las convierte en una opción ideal para aeromodelos, barcos y coches eléctricos teledirigidos, así como para herramientas eléctricas inalámbricas y flashes de cámaras.

Popularidad

Los avances en las tecnologías de fabricación de baterías a lo largo de la segunda mitad del siglo XX hicieron que su producción fuera cada vez más económica. En general, los dispositivos que funcionan con baterías se popularizaron. En el año 2000, se producían anualmente alrededor de 1500 millones de baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd). [ 6 ] Hasta mediados de la década de 1990, las baterías de Ni-Cd dominaban el mercado de baterías recargables para aparatos electrónicos domésticos.

En un momento dado, las baterías de Ni-Cd representaron el 8% de todas las ventas de baterías portátiles secundarias (recargables) en la UE, el 9,2% en el Reino Unido (eliminación) y el 1,3% en Suiza de todas las ventas de baterías portátiles. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

En la UE, la Directiva sobre baterías de 2006 restringió la venta de baterías de níquel-cadmio a consumidores para dispositivos portátiles.

Disponibilidad

Las pilas de níquel-cadmio (Ni-Cd) están disponibles en los mismos tamaños que las pilas alcalinas , desde AAA hasta D, así como en varios tamaños multicelda, incluyendo el equivalente a una pila de 9 voltios. Una pila Ni-Cd individual completamente cargada, sin carga, presenta una diferencia de potencial de entre 1,25 y 1,35 voltios, que se mantiene relativamente constante a medida que se descarga. Dado que una pila alcalina casi completamente descargada puede experimentar una caída de voltaje de hasta 0,9 voltios, las pilas Ni-Cd y las pilas alcalinas suelen ser intercambiables para la mayoría de las aplicaciones.

Además de las baterías de una sola celda, existen baterías que contienen hasta 300 celdas (nominalmente 360 ​​voltios, con un voltaje real sin carga de entre 380 y 420 voltios). Este diseño multicelda se utiliza principalmente en aplicaciones automotrices e industriales de alta exigencia. Para aplicaciones portátiles, el número de celdas suele ser inferior a 18 (24  V). Existen baterías industriales de electrolito líquido con capacidades que van desde 12,5  Ah hasta varios cientos de Ah.

Comparación con otras baterías

Recientemente, las baterías de níquel-metal hidruro y de iones de litio se han vuelto más accesibles comercialmente y más económicas; de hecho, las primeras compiten ahora en precio con las de níquel-cadmio. En aplicaciones donde la densidad energética es importante, las baterías de níquel-cadmio se encuentran ahora en desventaja frente a las de níquel-metal hidruro y de iones de litio. Sin embargo, la batería de níquel-cadmio sigue siendo muy útil en aplicaciones que requieren tasas de descarga muy altas, ya que puede soportar dichas descargas sin sufrir daños ni pérdida de capacidad.

En comparación con otros tipos de baterías recargables, la batería de Ni-Cd presenta una serie de ventajas distintivas:

  • Las baterías de níquel-cadmio son más resistentes a los daños que otras baterías, ya que toleran descargas profundas durante largos periodos. De hecho, las baterías de níquel-cadmio almacenadas a largo plazo suelen guardarse completamente descargadas. Esto contrasta, por ejemplo, con las baterías de iones de litio , que son menos estables y se dañan permanentemente si se descargan por debajo de un voltaje mínimo.
  • La batería ofrece un rendimiento excelente incluso en condiciones adversas, lo que la hace perfecta para su uso en herramientas portátiles.
  • Las baterías de níquel-cadmio suelen durar más, en términos de número de ciclos de carga/descarga, que otras baterías recargables como las de plomo-ácido.
  • En comparación con las baterías de plomo-ácido , las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) tienen una densidad energética mucho mayor . Una batería Ni-Cd es más pequeña y ligera que una batería de plomo-ácido comparable, pero no que una batería NiMH o de iones de litio comparable. En los casos en que el tamaño y el peso son factores importantes (por ejemplo, en aeronaves), se prefieren las baterías Ni-Cd a las baterías de plomo-ácido, que son más económicas.
  • En aplicaciones de consumo, las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) compiten directamente con las baterías alcalinas . Una batería Ni-Cd tiene menor capacidad que una batería alcalina equivalente y es más cara. Sin embargo, dado que la reacción química de la batería alcalina no es reversible, una batería Ni-Cd reutilizable tiene una vida útil significativamente mayor. Se han realizado intentos para crear baterías alcalinas recargables o cargadores especializados para baterías alcalinas desechables, pero ninguno ha tenido una amplia aceptación.
  • El voltaje terminal de una batería de níquel-cadmio disminuye más lentamente durante la descarga, en comparación con las baterías de carbono-zinc. Dado que el voltaje de una batería alcalina disminuye significativamente a medida que baja la carga, la mayoría de las aplicaciones de consumo están bien preparadas para manejar el voltaje ligeramente inferior de las celdas de níquel-cadmio sin una pérdida de rendimiento apreciable.
  • La capacidad de una batería de níquel-cadmio no se ve afectada significativamente por corrientes de descarga muy altas. Incluso con tasas de descarga de hasta 50C, una batería de níquel-cadmio mantendrá prácticamente su capacidad nominal. En cambio, una batería de plomo-ácido solo proporcionará aproximadamente la mitad de su capacidad nominal cuando se descarga a una tasa relativamente baja de 1,5C.
  • La corriente de descarga continua máxima de una batería de Ni-Cd suele rondar los 15C. En comparación, en una batería de NiMH, la corriente de descarga continua máxima utilizable no supera los 5C.
  • Las baterías de níquel-metal hidruro ( NiMH ) son la alternativa más reciente y similar a las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd). En comparación con estas últimas, las baterías NiMH tienen mayor capacidad, son menos tóxicas y ahora resultan más económicas. Sin embargo, una batería Ni-Cd presenta una menor tasa de autodescarga (por ejemplo, un 20 % mensual frente a un 30 % mensual para una NiMH convencional en condiciones idénticas). No obstante, actualmente existen baterías NiMH de baja autodescarga (LSD, por sus siglas en inglés) , con una autodescarga considerablemente menor que la de las baterías Ni-Cd o NiMH convencionales. Esto se traduce en una preferencia por las baterías Ni-Cd sobre las NiMH sin LSD en aplicaciones donde el consumo de corriente es inferior a la tasa de autodescarga de la batería (por ejemplo, mandos a distancia de televisión). En ambos tipos de celdas, la tasa de autodescarga es máxima con la batería completamente cargada y disminuye ligeramente con cargas inferiores. Por último, una batería de Ni-Cd de tamaño similar tiene una resistencia interna ligeramente menor y, por lo tanto, puede alcanzar una tasa de descarga máxima más alta (lo cual puede ser importante para aplicaciones como las herramientas eléctricas).

La principal desventaja de las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) radica en su mayor coste y el uso de cadmio. Este metal pesado representa un peligro ambiental y es altamente tóxico para todos los organismos superiores. Además, son más costosas que las baterías de plomo-ácido debido al mayor precio del níquel y el cadmio. Una de las mayores desventajas es que la batería presenta un coeficiente de temperatura negativo muy marcado. Esto significa que, a medida que aumenta la temperatura de la celda, disminuye la resistencia interna. Esto puede generar problemas de carga considerables, especialmente con los sistemas de carga relativamente sencillos empleados para las baterías de plomo-ácido . Mientras que las baterías de plomo-ácido se pueden cargar simplemente conectándoles una dinamo , con un sencillo sistema de corte electromagnético que se activa cuando la dinamo está inmóvil o se produce una sobrecorriente, la batería de Ni-Cd, bajo un esquema de carga similar, sufriría un desbordamiento térmico, donde la corriente de carga continuaría aumentando hasta que se activara el sistema de corte por sobrecorriente o la batería se destruyera. Este es el factor principal que impide su uso como baterías de arranque de motores. Hoy en día, con los sistemas de carga basados ​​en alternadores con reguladores de estado sólido, la construcción de un sistema de carga adecuado sería relativamente sencilla, pero los fabricantes de automóviles se resisten a abandonar la tecnología probada y comprobada. [ 10 ]

Efecto memoria

Las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) pueden sufrir un " efecto memoria " si se descargan y recargan al mismo estado de carga cientos de veces. El síntoma aparente es que la batería "recuerda" el punto de su ciclo de descarga donde comenzó la recarga y, durante su uso posterior, sufre una caída repentina de voltaje en ese punto, como si se hubiera descargado por completo. La capacidad de la batería no se reduce sustancialmente. Algunos dispositivos electrónicos diseñados para funcionar con baterías de Ni-Cd pueden soportar esta reducción de voltaje el tiempo suficiente para que el voltaje vuelva a la normalidad. Sin embargo, si el dispositivo no puede funcionar durante este período de voltaje reducido, no podrá obtener suficiente energía de la batería y, a efectos prácticos, la batería parece "agotada" antes de lo normal.

Existe evidencia de que la historia del efecto memoria se originó en satélites en órbita, donde se cargaban y descargaban de manera similar con cada órbita alrededor de la Tierra durante un período de varios años. [ 11 ] Después de este tiempo, se descubrió que la capacidad de las baterías había disminuido significativamente, pero aún eran aptas para su uso. Es improbable que esta carga repetitiva precisa (por ejemplo, 1000 cargas/descargas con menos del 2 % de variabilidad) pueda ser reproducida por personas que usan aparatos eléctricos. El artículo original que describía el efecto memoria fue escrito por científicos de GE en su Departamento de Baterías en Gainesville, Florida, y posteriormente retractado por ellos, pero el daño ya estaba hecho. [ 12 ]

La batería soporta miles de ciclos de carga y descarga. Además, es posible reducir el efecto memoria descargándola por completo aproximadamente una vez al mes. De esta forma, la batería aparentemente no "recuerda" el punto del ciclo de carga.

Un efecto con síntomas similares al efecto memoria es la llamada depresión de voltaje o efecto de batería perezosa . Esto se produce por sobrecargas repetidas; el síntoma es que la batería parece estar completamente cargada, pero se descarga rápidamente tras un breve período de funcionamiento. En raras ocasiones, gran parte de la capacidad perdida puede recuperarse con algunos ciclos de descarga profunda, una función que suelen ofrecer los cargadores automáticos de baterías. Sin embargo, este proceso puede reducir la vida útil de la batería. Si se cuida adecuadamente, una batería de Ni-Cd puede durar 1000 ciclos o más antes de que su capacidad caiga por debajo de la mitad de su capacidad original. Muchos cargadores domésticos afirman ser "cargadores inteligentes" que se apagan sin dañar la batería, pero este parece ser un problema común.

Impacto ambiental

Las baterías de níquel-cadmio contienen entre un 6 % (para baterías industriales) y un 18 % (para baterías comerciales) de cadmio , que es un metal pesado tóxico y, por lo tanto, requiere un cuidado especial durante su eliminación.

En Estados Unidos , el coste previsto del reciclaje de las baterías (que se destina a su correcta eliminación al final de su vida útil) está incluido en el precio de compra de la batería.

Según la denominada «Directiva sobre baterías» ( 2006/66/CE ), la venta de baterías de níquel-cadmio para el consumidor está prohibida en la Unión Europea, salvo para uso médico; sistemas de alarma; iluminación de emergencia; y herramientas eléctricas portátiles. Esta última categoría está prohibida desde 2016. [ 13 ] Conforme a la misma directiva de la UE, las baterías industriales de níquel-cadmio usadas deben ser recogidas por sus fabricantes para su reciclaje en instalaciones específicas.

Véase también

Referencias

  1. Valøen, Lars Ole y Shoesmith, Mark I. (2007). El efecto de los ciclos de trabajo de los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) y los vehículos eléctricos híbridos (HEV) en el rendimiento de la batería y el paquete de baterías (PDF). Actas de la Conferencia de Vehículos Eléctricos Enchufables para Carretera de 2007.Recuperado el 11 de junio de 2010.
  2. "Baterías - Medio ambiente - Comisión Europea" . ec.europa.eu . Consultado el 18 de octubre de 2014 .
  3. "Patente estadounidense 0692507" . Archivado del original el 21 de febrero de 2017. Consultado el 16 de julio de 2012 .
  4. Ford; Rao; Yi (febrero de 1994). "Manual para el manejo y almacenamiento de baterías de níquel-cadmio: lecciones aprendidas" (PDF) . Publicación de referencia de la NASA 1326 : 17. Recuperado el 26 de noviembre de 2024 .
  5. "Manual técnico de níquel-cadmio GP" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 27 de septiembre de 2007.
  6. "Solucorp presenta a los mercados internacionales una batería de Ni-Cd que previene la contaminación y se autorrepara" . Business Wire. 19 de octubre de 2006. Consultado el 1 de agosto de 2008 .{{cite web}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )
  7. "Gestión de residuos de baterías" (PDF) . DEFRA. 2006. Archivado del original (PDF) el 8 de octubre de 2013.
  8. "Estadísticas de INOBAT" (PDF) . 2008. Archivado del original (PDF) el 25 de marzo de 2012.
  9. "Estadísticas de la EPBA" . 2000. Archivado del original el 21 de marzo de 2012.
  10. Linden, David; Reddy, Thomas B. (2001). «Capítulos 27 y 28». Manual de baterías (3.ª ed.). McGraw-Hill. ISBN  0-07-135978-8.
  11. Goodman, Marty (13 de octubre de 1997). "¿Baterías de plomo-ácido o de níquel-cadmio?" . Artículos sobre ciclismo urbano e iluminación . Harris Cyclery . Consultado el 18 de febrero de 2009 .
  12. Preguntas frecuentes sobre reparaciones, citando la nota técnica de GE Davolio, G., & Soragni, E. (1998). Journal of Applied Electrochemistry , 28(12), 1313–1319. doi:10.1023/a:1003452327919
  13. «Los eurodiputados prohíben el cadmio en las baterías de herramientas eléctricas y el mercurio en las pilas de botón» . Parlamento Europeo. 10 de octubre de 2013.

Lecturas adicionales

  • Bergstrom, Sven. "Baterías de níquel-cadmio  — Tipo de bolsillo". Journal of the Electrochemical Society, septiembre de 1952. 1952 The Electrochemical Society.
  • Ellis, GB, Mandel, H. y Linden, D. «Baterías de níquel-cadmio con placas sinterizadas». Journal of the Electrochemical Society , The Electrochemical Society, septiembre de 1952.
  • General Electric, "Manual de ingeniería para la aplicación de baterías de níquel-cadmio", 1971
  • Marathon Battery Company, "Cuidado y mantenimiento de las baterías de níquel-cadmio"
  • SAFT, "Baterías de NiCd para aeronaves, Manual de Operación y Mantenimiento (OMM)", 2002
  • "La batería de níquel-cadmio dura tanto como el coche." Popular Science , agosto de 1948, págs.  113-118.
  • Manual de funcionamiento y mantenimiento de baterías de níquel-cadmio para aeronaves (PDF)
  • Historia de las baterías de níquel-cadmio Alcad en Redditch (1918-1993)