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batería eléctrica

Una batería eléctrica es una fuente de energía eléctrica que consta de una o más celdas electroquímicas con conexiones externas [ 1 ] para alimentar dispositivos eléctricos . Cu...

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Una batería eléctrica es una fuente de energía eléctrica que consta de una o más celdas electroquímicas con conexiones externas [ 1 ] para alimentar dispositivos eléctricos . Cuando una batería suministra energía, su terminal positivo es el cátodo y su terminal negativo es el ánodo [ 2 ] . El terminal marcado como negativo es la fuente de electrones . Cuando una batería se conecta a una carga eléctrica externa , esos electrones con carga negativa fluyen a través del circuito y llegan al terminal positivo, provocando así una reacción redox al atraer iones con carga positiva , o cationes. De esta manera, los reactivos de mayor energía se convierten en productos de menor energía, y la diferencia de energía libre se entrega al circuito externo como energía eléctrica. Históricamente, el término "batería" se refería específicamente a un dispositivo compuesto por múltiples celdas; sin embargo, su uso ha evolucionado para incluir dispositivos compuestos por una sola celda [ 3 ] .

Las baterías primarias (de un solo uso o desechables) se utilizan una sola vez y se desechan , ya que los materiales de los electrodos se alteran irreversiblemente durante la descarga; un ejemplo común es la batería alcalina utilizada en linternas y multitud de dispositivos electrónicos portátiles. Las baterías secundarias (recargables) pueden descargarse y recargarse varias veces mediante la aplicación de corriente eléctrica; la composición original de los electrodos puede restaurarse mediante corriente inversa. Algunos ejemplos son la batería de plomo-ácido utilizada en vehículos con motor de combustión interna y las baterías de iones de litio utilizadas en dispositivos electrónicos portátiles y coches eléctricos .

Las baterías vienen en multitud de formas y tamaños, desde celdas en miniatura que alimentan audífonos y relojes de pulsera hasta, en el extremo más grande, enormes bancos de baterías del tamaño de habitaciones que proporcionan energía de reserva o de emergencia a centrales telefónicas y centros de datos informáticos. Las baterías tienen una energía específica (energía por unidad de masa) mucho menor que los combustibles comunes como la gasolina. En los automóviles, esto se compensa en parte con la mayor eficiencia de los motores eléctricos a la hora de convertir la energía eléctrica en trabajo mecánico, en comparación con los motores de combustión.

Historia

Invención

Una pila voltaica , la primera batería
El físico italiano Alessandro Volta mostrando su pila al emperador francés Napoleón Bonaparte.

Benjamin Franklin utilizó por primera vez el término "batería" en 1749, cuando realizaba experimentos con electricidad utilizando un conjunto de condensadores de botellas de Leyden conectados entre sí. [ 4 ] Franklin agrupó varias de estas botellas en lo que describió como una "batería", utilizando el término militar para referirse a armas que funcionan en conjunto. [ 5 ] Al multiplicar el número de recipientes, se podía almacenar una carga más potente y, por lo tanto, se disponía de más energía al descargarla.

El físico italiano Alessandro Volta construyó y describió la primera batería electroquímica, la pila voltaica , en 1800. [ 6 ] Esta consistía en una pila de placas de cobre y zinc, separadas por discos de papel empapados en salmuera, que podía producir una corriente constante durante un tiempo considerable. Volta no comprendió que el voltaje se debía a reacciones químicas. Pensaba que sus pilas eran una fuente inagotable de energía, [ 7 ] y que los efectos de corrosión asociados en los electrodos eran una mera molestia, en lugar de una consecuencia inevitable de su funcionamiento, como demostró Michael Faraday en 1834. [ 8 ]

Aunque las primeras baterías fueron de gran valor para fines experimentales, [ 9 ] en la práctica sus voltajes fluctuaban y no podían proporcionar una corriente elevada durante un período prolongado. La pila de Daniell , inventada en 1836 por el químico británico John Frederic Daniell , fue la primera fuente práctica de electricidad , convirtiéndose en un estándar industrial y adoptándose ampliamente como fuente de energía para las redes telegráficas eléctricas . [ 10 ] Consistía en un recipiente de cobre lleno de una solución de sulfato de cobre , en el que se sumergía un recipiente de cerámica sin esmaltar lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc. [ 11 ]

Estas pilas húmedas utilizaban electrolitos líquidos, propensos a fugas y derrames si no se manipulaban correctamente. Muchas empleaban frascos de vidrio para contener sus componentes, lo que las hacía frágiles y potencialmente peligrosas. Estas características las hacían inadecuadas para aparatos portátiles. Hacia finales del siglo XIX, la invención de las pilas secas , que sustituyeron el electrolito líquido por una pasta, hizo posible la fabricación de dispositivos eléctricos portátiles. [ 12 ]

Históricamente, las baterías utilizadas en los dispositivos de tubos de vacío empleaban una pila húmeda para la batería "A" (para suministrar energía al filamento) y una pila seca para la batería "B" (para proporcionar el voltaje de placa).

Novedades en curso

Entre 2010 y 2018, la demanda de baterías creció un 30 % anual, alcanzando un total de 180 GWh en 2018. De forma conservadora, se espera que la tasa de crecimiento se mantenga en un 25 %, culminando en una demanda de 2600 GWh en 2030. Además, se prevé que la reducción de costes incremente aún más la demanda hasta alcanzar los 3562 GWh. [ 13 ]  

Entre las razones importantes para esta alta tasa de crecimiento de la industria de las baterías eléctricas se incluyen la electrificación del transporte y el despliegue a gran escala en las redes eléctricas, respaldado por iniciativas de descarbonización . [ 13 ]

Las baterías eléctricas distribuidas, como las que se utilizan en vehículos eléctricos ( vehículo a red ) y en el almacenamiento de energía doméstica con medición inteligente y que están conectadas a redes inteligentes para la respuesta a la demanda , participan activamente en las redes de suministro eléctrico inteligentes. [ 14 ] El uso secundario de baterías parcialmente descargadas puede aumentar la utilidad general de las baterías eléctricas al reducir los costos de almacenamiento de energía y el impacto de las emisiones debido a una vida útil más prolongada. En este uso, las baterías eléctricas de vehículos cuya capacidad se ha reducido a menos del 80 % (generalmente después de 5 a 8 años de servicio) se reutilizan para su uso en suministros de respaldo o sistemas de almacenamiento de energía renovable. [ 15 ]

El almacenamiento de energía a escala de red contempla el uso a gran escala de baterías para recolectar y almacenar energía de la red o de una central eléctrica y luego descargarla posteriormente para proporcionar electricidad u otros servicios de la red cuando sea necesario. El almacenamiento de energía a escala de red (ya sea llave en mano o distribuido) es un componente importante de las redes eléctricas inteligentes. [ 16 ]

Cambio de paradigma computacional

La llegada del modelado computacional ha revolucionado el diseño de materiales para baterías, permitiendo la selección de alto rendimiento y simulaciones atomísticas que aceleran el descubrimiento de nuevos electrolitos y electrodos, superando los enfoques tradicionales de ensayo y error. [ 17 ]

Química y principios

Una celda voltaica a modo de demostración. En este ejemplo, las dos semiceldas están unidas por un puente salino que permite la transferencia de iones.

Batteries convert chemical energy directly to electrical energy. In many cases, the electrical energy released is the difference in the cohesive[18] or bond energies of the metals, oxides, or molecules undergoing the electrochemical reaction. For instance, energy can be stored in Zn or Li, which are high-energy metals because they are not stabilized by d-electron bonding, unlike transition metals. Batteries are designed so that the energetically favorable redox reaction can occur only when electrons move through the external part of the circuit.

A battery consists of some number of voltaic cells. Each cell consists of two half-cells connected in series by a conductive electrolyte containing metal cations. One half-cell includes electrolyte and the negative electrode, the electrode to which anions (negatively charged ions) migrate; the other half-cell includes electrolyte and the positive electrode, to which cations (positively charged ions) migrate. Cations are reduced (electrons are added) at the cathode, while metal atoms are oxidized (electrons are removed) at the anode.[19] Some cells use different electrolytes for each half-cell; then a separator is used to prevent mixing of the electrolytes while allowing ions to flow between half-cells to complete the electrical circuit.

Each half-cell has an electromotive force (emf, measured in volts) relative to a standard. The net emf of the cell is the difference between the emfs of its half-cells.[20] Thus, if the electrodes have emfs E1{\displaystyle {\mathcal {E}}_{1}} and E2{\displaystyle {\mathcal {E}}_{2}}, then the net emf is E2−E1{\displaystyle {\mathcal {E}}_{2}-{\mathcal {E}}_{1}}; in other words, the net emf is the difference between the reduction potentials of the half-reactions.[21]

The electrical driving force or ΔVbat{\displaystyle \displaystyle {\Delta V_{\text{bat}}}}La diferencia de potencial entre los terminales de una celda se conoce como voltaje terminal (diferencia) y se mide en voltios . [ 22 ] 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, [ 23 ] el voltaje terminal de una celda que se está descargando es menor en magnitud que el voltaje de circuito abierto y el voltaje terminal de una celda que se está cargando supera el voltaje de circuito abierto. [ 24 ] Una celda ideal tiene una resistencia interna despreciable, por lo que mantendría un voltaje terminal constante demi{\displaystyle {\mathcal {E}}}hasta agotarse, y luego caer a cero. Si una celda de este tipo mantuviera 1,5 voltios y produjera una carga de un culombio , al descargarse por completo habría realizado 1,5 julios de trabajo. [ 22 ] En las celdas reales, la resistencia interna aumenta durante la descarga [ 23 ] y el voltaje de circuito abierto también disminuye durante la descarga. Si se grafican el voltaje y la resistencia en función del tiempo, los gráficos resultantes suelen ser una curva; la forma de la curva varía según la química y la disposición interna empleadas.

El voltaje desarrollado entre los terminales de una celda depende de la energía liberada por las reacciones químicas de sus electrodos y electrolito. Las celdas alcalinas y de zinc-carbono tienen composiciones químicas diferentes, pero aproximadamente la misma fuerza electromotriz (fem) de 1,5 voltios; de igual modo, las celdas de NiCd y NiMH tienen composiciones químicas diferentes, pero aproximadamente la misma fem de 1,2 voltios. [ 25 ] Los elevados cambios de potencial electroquímico en las reacciones de los compuestos de litio dan a las celdas de litio fems de 3 voltios o más. [ 26 ]

Casi cualquier líquido u objeto húmedo que contenga suficientes iones para ser conductor de electricidad puede servir como electrolito para una pila. Como curiosidad o demostración científica, es posible insertar dos electrodos hechos de metales diferentes en un limón , [ 27 ] una patata, [ 28 ] etc., y generar pequeñas cantidades de electricidad.

Se puede crear una pila voltaica con dos monedas (como una de cinco centavos y una de un centavo ) y un trozo de papel absorbente empapado en agua salada . Dicha pila genera un voltaje muy bajo, pero cuando se apilan muchas en serie , pueden reemplazar las baterías normales durante un corto período de tiempo. [ 29 ]

Tipos

Baterías primarias y secundarias

De arriba abajo: una batería grande de 4,5 voltios 3R12 , una pila D , una pila C , una pila AA , una pila AAA , una pila 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 primarias y secundarias:

  • Las baterías primarias están diseñadas para usarse hasta que se agote su energía y luego desecharse. Sus reacciones químicas generalmente no son reversibles, por lo que no se pueden recargar. Cuando se agota el suministro de reactivos en la batería, esta deja de producir corriente y queda inservible. [ 30 ]
  • Las baterías secundarias se pueden recargar; es decir, se pueden revertir sus reacciones químicas aplicando corriente eléctrica a la celda. Esto regenera los reactivos químicos originales, de modo que se pueden usar, recargar y volver a usar varias veces. [ 31 ]

Algunos tipos de baterías primarias utilizadas, por ejemplo, para circuitos telegráficos , se volvieron a poner en funcionamiento reemplazando los electrodos. [ 32 ] Las baterías secundarias no son recargables indefinidamente debido a la disipación de los materiales activos, la pérdida de electrolito y la corrosión interna.

Las baterías primarias, o pilas primarias , pueden producir corriente inmediatamente después de su ensamblaje. Estas se utilizan más comúnmente en dispositivos portátiles que tienen un bajo consumo de corriente, se usan solo de forma intermitente o se usan lejos de una fuente de alimentación alternativa, como en circuitos de alarma y comunicación donde otra energía eléctrica está disponible solo de forma intermitente. Las pilas primarias desechables no se pueden recargar de forma fiable, ya que las reacciones químicas no son fácilmente reversibles y los materiales activos pueden no volver a sus formas originales. Los fabricantes de baterías recomiendan no intentar recargar pilas primarias. [ 33 ] En general, estas tienen densidades de energía más altas que las baterías recargables, [ 34 ] pero las baterías desechables no funcionan bien en aplicaciones de alto consumo con cargas inferiores a 75 ohmios (75 Ω). Los tipos comunes de baterías desechables incluyen baterías de zinc-carbono y baterías alcalinas .

Las baterías secundarias, también conocidas como pilas 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 revierte las reacciones químicas que ocurren durante la descarga/uso. Los dispositivos que suministran la corriente adecuada se llaman cargadores. La forma más antigua de batería recargable es la batería de plomo-ácido , que se utiliza ampliamente en aplicaciones automotrices y náuticas . Esta tecnología contiene un 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 corriente de arranque la hacen común donde su capacidad (más de aproximadamente 10 Ah) es más importante que el peso y los problemas de manejo. Una aplicación común es la batería de automóvil moderna , que, en general, puede suministrar una corriente máxima de 450 amperios .

Composición

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

Se han producido muchos tipos de celdas electroquímicas, con diversos procesos químicos y diseños, incluyendo celdas galvánicas , celdas electrolíticas , celdas de combustible , celdas de flujo y pilas voltaicas. [ 35 ]

Una batería de celda húmeda tiene un electrolito líquido . También se las conoce como celda inundada , ya que el líquido cubre todas las partes internas, o celda ventilada , dado que los gases producidos durante su funcionamiento pueden escapar al aire. Las celdas húmedas fueron precursoras de las celdas secas y se utilizan comúnmente como herramienta didáctica para la electroquímica . Se pueden construir con materiales de laboratorio comunes, como vasos de precipitados , para demostrar el funcionamiento de las celdas electroquímicas. Un tipo particular de celda húmeda, conocida como celda de concentración, es importante para comprender la corrosión . Las celdas húmedas pueden ser primarias (no recargables) o secundarias (recargables). Originalmente, todas las baterías primarias prácticas, como la celda Daniell , se construían como celdas húmedas de vidrio con la parte superior abierta. Otras celdas húmedas primarias son la celda Leclanche , la celda Grove , la celda Bunsen , la celda de ácido crómico , la celda Clark y la celda Weston . La química de la celda Leclanche se adaptó a las primeras celdas secas. Las baterías húmedas todavía se utilizan en baterías de automóviles y en la industria para el suministro de energía de reserva en aparamenta eléctrica , telecomunicaciones o grandes sistemas de alimentación ininterrumpida , pero en muchos lugares se han optado por baterías de gel . Estas aplicaciones suelen utilizar baterías de plomo-ácido o níquel-cadmio . Las baterías de sales fundidas son baterías primarias o secundarias que utilizan una sal fundida como electrolito. Funcionan a altas temperaturas y deben estar bien aisladas para retener el calor.

Una pila seca utiliza un electrolito en pasta, con la humedad justa para permitir el paso de la corriente. A diferencia de una pila húmeda, una pila seca puede funcionar en cualquier posición sin derramarse, ya que no contiene líquido libre, lo que la hace adecuada para equipos portátiles. En comparación, las primeras pilas húmedas solían ser frágiles recipientes de vidrio con varillas de plomo colgando de la parte superior abierta y requerían un manejo cuidadoso para evitar derrames. Las baterías de plomo-ácido no alcanzaron la seguridad y portabilidad de la pila seca hasta el desarrollo de la batería de gel . Una pila seca común es la batería de zinc-carbono , a veces llamada pila Leclanché seca , con un voltaje nominal de 1,5 voltios , el mismo que la batería alcalina (ya que ambas utilizan la misma combinación de zinc y dióxido de manganeso ). Una pila seca estándar consta de 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 se rellena con una segunda pasta compuesta de cloruro de amonio y dióxido de manganeso, que actúa como despolarizador . En algunos diseños, el cloruro de amonio se sustituye por cloruro de zinc .

Una batería de reserva puede almacenarse sin ensamblar (sin activar y sin suministrar energía) durante un período prolongado (quizás años). Cuando se necesita, se ensambla (por ejemplo, añadiendo electrolito); una vez ensamblada, se carga y queda lista para funcionar. Por ejemplo, una batería para una espoleta electrónica de artillería podría activarse con el impacto del disparo. La aceleración rompe una cápsula de electrolito que activa la batería y alimenta los circuitos de la espoleta. Las baterías de reserva suelen estar diseñadas para una corta vida útil (segundos o minutos) tras un almacenamiento prolongado (años). Una batería activada por agua para instrumentos oceanográficos o aplicaciones militares se activa al sumergirse en agua.

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 , desarrollada por un equipo liderado por John Goodenough , inventor de las baterías de iones de litio , "que podría dar lugar a baterías recargables más seguras, de carga más rápida y de mayor duración para dispositivos móviles portátiles, coches eléctricos y almacenamiento de energía estacionario". [ 36 ] Se dice que la batería de estado sólido también tiene "tres veces la densidad de energía", lo que aumenta su vida útil en vehículos eléctricos, por ejemplo. También debería ser más ecológica, ya que la tecnología utiliza materiales menos costosos y respetuosos con el medio ambiente, como el sodio extraído del agua de mar. Además, tienen una vida útil mucho mayor. [ 37 ]

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. [ 38 ]

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 su vida útil . [ 39 ] Las baterías VRLA inmovilizan el electrolito. Los dos tipos son:

Otras baterías recargables portátiles incluyen varios tipos de "pilas secas" selladas, que son útiles en aplicaciones como teléfonos móviles y computadoras portátiles . Las celdas de este tipo (en orden de densidad de potencia y costo crecientes) incluyen níquel-cadmio (NiCd), níquel-zinc (NiZn), níquel-hidruro metálico (NiMH) y celdas de iones de litio (Li-ion). Las celdas de iones de litio tienen, con diferencia, la mayor cuota del mercado de baterías recargables de pilas secas. El NiMH ha reemplazado al NiCd en la mayoría de las aplicaciones debido a su mayor capacidad, pero el NiCd todavía se usa en herramientas eléctricas , radios bidireccionales y equipos médicos .

En la década de 2000, se desarrollaron baterías con electrónica integrada, como USBCELL , que permite cargar una pila AA mediante un conector USB ; baterías de nanobolas, que permiten una tasa de descarga aproximadamente 100 veces mayor que la de las baterías actuales; y paquetes de baterías inteligentes con monitores de estado de carga y circuitos de protección que evitan daños por sobredescarga. La baja autodescarga (LSD) permite cargar las celdas secundarias antes de su envío.

Se utilizaron baterías de litio-azufre en el vuelo más largo y a mayor altitud propulsado por energía solar. [ 40 ]

Grados de consumo e industriales

Las baterías de todo tipo se fabrican en grados de consumo e industriales. Las baterías industriales, más costosas, pueden utilizar composiciones químicas que proporcionan una mayor relación potencia-tamaño, una menor autodescarga y, por lo tanto, una vida útil más larga cuando no se utilizan, mayor resistencia a las fugas y, por ejemplo, capacidad para soportar la alta temperatura y humedad asociadas con la esterilización en autoclave médico. [ 41 ]

Combinación y gestión

Las baterías de formato estándar se insertan en el portapilas del dispositivo que las utiliza. Cuando un dispositivo no usa baterías de formato estándar, normalmente se combinan en un paquete de baterías personalizado que contiene varias baterías, además de características como un sistema de gestión de baterías y un aislador de baterías que garantizan que las baterías se carguen y descarguen de manera uniforme.

Tamaños

Las pilas primarias disponibles para el consumidor abarcan desde las diminutas pilas de botón utilizadas en relojes eléctricos hasta la pila número 6, empleada en circuitos de señalización u otras aplicaciones de larga duración. Las pilas secundarias se fabrican en tamaños muy grandes; estas pilas de gran capacidad pueden alimentar un submarino o estabilizar una red eléctrica y ayudar a regular los picos de demanda.

A partir de 2017La batería más grande del mundo fue construida en Australia Meridional por Tesla . Puede almacenar 129  MWh. [ 42 ] Una batería en la provincia de Hebei , China, que puede almacenar 36  MWh de electricidad fue construida en 2013 a un costo de $500 millones. [ 43 ] Otra batería grande, compuesta de celdas de Ni-Cd , estaba en Fairbanks, Alaska . Cubría 2000 metros cuadrados (22 000 pies cuadrados ) —más grande que un campo de fútbol— y pesaba 1300 toneladas. Fue fabricada por ABB para proporcionar energía de respaldo en caso de un apagón. La batería puede proporcionar 40 MW de potencia durante hasta siete minutos. [ 44 ] Las baterías de sodio-azufre se han utilizado para almacenar energía eólica . [ 45 ] Un sistema de baterías de 4,4 MWh que puede suministrar 11 MW durante 25 minutos estabiliza la producción del parque eólico Auwahi en Hawái. [ 46 ]     

Comparación

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. [ 47 ]

Rendimiento, capacidad y descarga

Un dispositivo para comprobar el voltaje de la batería.

Las características de una batería pueden variar durante los ciclos de carga y descarga , así como a lo largo de su vida útil, debido a diversos factores, como su composición química interna, el consumo de corriente y la temperatura. A bajas temperaturas, la batería no puede suministrar tanta energía. Por ello, en climas fríos, algunos propietarios de automóviles instalan calentadores de batería, que son pequeñas almohadillas eléctricas que mantienen la batería caliente.

La capacidad de una batería es la cantidad de carga eléctrica que puede suministrar a un voltaje que no cae por debajo del voltaje terminal especificado. 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. [ 48 ] La capacidad se suele expresar en amperios-hora (A·h) (mAh para baterías pequeñas). La capacidad nominal de una batería se suele expresar como el producto de 20 horas multiplicado por la corriente que una batería nueva puede suministrar de forma constante durante 20 horas a 20 °C (68 °F) , manteniéndose por encima de un voltaje terminal especificado por celda. Por ejemplo, una batería con una capacidad nominal de 100 A·h puede suministrar 5 A durante un período de 20 horas a temperatura ambiente . La fracción de la carga almacenada que una batería puede suministrar depende de múltiples factores, incluyendo la química de la batería, la velocidad a la que se suministra la carga (corriente), el voltaje terminal requerido, el período de almacenamiento, la temperatura ambiente y otros factores. [ 49 ] [ 48 ]    

Cuanto mayor sea la tasa de descarga, menor será la capacidad. [ 50 ] La relación entre la corriente, el tiempo de descarga y la capacidad de una batería de plomo-ácido se aproxima (en un rango típico de valores de corriente) mediante la ley de Peukert :

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

dónde

QPAG{\displaystyle Q_{P}}es la capacidad cuando se descarga a una velocidad de 1 amperio.
I{\displaystyle I}es la corriente extraída de la batería ( A ).
t{\displaystyle t}es la cantidad de tiempo (en horas) que una batería puede durar.
k{\displaystyle k}es una constante de alrededor de 1,3.

Las baterías cargadas (recargables o desechables) pierden carga por autodescarga interna con el tiempo, aunque no se descarguen, debido a la presencia de reacciones secundarias generalmente irreversibles que consumen portadores de carga sin producir corriente. La tasa de autodescarga depende de la química y la construcción de la batería, y suele oscilar entre meses y años para una pérdida significativa. Al recargar las baterías, las reacciones secundarias adicionales reducen la capacidad para descargas posteriores. Tras suficientes recargas, prácticamente 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 atraviesan el electrolito provocan que la eficiencia de la batería varíe. Por encima de un umbral mínimo, la descarga a baja velocidad proporciona más capacidad de la batería que a alta velocidad. La instalación de baterías con diferentes valores de A·h modifica el tiempo de funcionamiento, pero no el funcionamiento del dispositivo, a menos que se superen los límites de carga. Las cargas de alto consumo, como las cámaras digitales, pueden reducir la capacidad total de las baterías recargables o desechables. Por ejemplo, una batería con una capacidad nominal de 2  A·h para una descarga de 10 o 20 horas no mantendría una corriente de 1  A durante dos horas completas, como sugiere su capacidad nominal.

La tasa C es una medida de la velocidad a la que una batería se carga o descarga. Se define como la corriente que atraviesa la batería dividida por la corriente teórica bajo la cual la batería entregaría su capacidad nominal en una hora. [ 51 ] Tiene unidades h −1 . Debido a la pérdida por resistencia interna y a los procesos químicos dentro de las celdas, una batería rara vez entrega la capacidad nominal indicada en la placa en solo una hora. Por lo general, la capacidad máxima se encuentra a una tasa C baja, y cargar o descargar 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 las curvas de capacidad versus tasa C. La tasa C también se utiliza como clasificación en las baterías para indicar la corriente máxima que una batería puede entregar de forma segura en un circuito. Las normas para baterías recargables generalmente clasifican la capacidad y los ciclos de carga durante un tiempo de descarga de 4 horas (0,25C), 8 horas (0,125C) o más. Los tipos destinados a fines especiales, como en una fuente de alimentación ininterrumpida para ordenadores , pueden estar clasificados por los fabricantes para períodos de descarga mucho menores de una hora (1C), pero pueden sufrir una vida útil limitada.

En 2009, el fosfato de hierro y litio experimental ( LiFePO4) battery technology provided the fastest charging and energy delivery, discharging all its energy into a load in 10 to 20 seconds.[52] In 2024 a prototype battery for electric cars that could charge from 10% to 80% in five minutes was demonstrated,[53] and a Chinese company claimed that car batteries it had introduced charged 10% to 80% in 10.5 minutes—the fastest batteries available—compared to Tesla's 15 minutes to half-charge.[54]

Lifespan and endurance

An analog camcorder lithium ion battery

Battery life (or lifetime) has two meanings for rechargeable batteries but only one for non-chargeable batteries. It can be used to describe the length of time a device can run on a fully charged battery—this is also unambiguously termed "endurance".[55] For a rechargeable battery it may also be used for the number of charge/discharge cycles possible before the cells fail to operate satisfactorily—this is also termed "lifespan".[56] The term shelf life is used to describe how long a battery will retain its performance between manufacture and use. Available capacity of all batteries drops with decreasing temperature. In contrast to most of today's batteries, the Zamboni pile, invented in 1812, offers a very long service life without refurbishment or recharge, although it can supply very little current (nanoamps). The Oxford Electric Bell has been ringing almost continuously since 1840 on its original pair of batteries, thought to be Zamboni piles.

Disposable batteries typically lose 8–20% of their original charge per year when stored at room temperature (20–30 °C).[57] This is known as the "self-discharge" rate, and is due to non-current-producing "side" chemical reactions that occur within the cell even when no load is applied. The rate of side reactions is reduced for batteries stored at lower temperatures, although some can be damaged by freezing and storing in a fridge will not meaningfully prolong shelf life and risks damaging condensation.[58] Old rechargeable batteries self-discharge more rapidly than disposable alkaline batteries, especially nickel-based batteries; a freshly charged nickel cadmium (NiCd) battery loses 10% of its charge in the first 24 hours, and thereafter discharges at a rate of about 10% a month. However, newer low self-discharge nickel–metal hydride (NiMH) batteries and modern lithium designs display a lower self-discharge rate (but still higher than for primary batteries).

The active material on the battery plates changes chemical composition on each charge and discharge cycle; active material may be lost due to physical changes of volume, further limiting the number of times the battery can be recharged. Most nickel-based batteries are partially discharged when purchased, and must be charged before first use.[59] Newer NiMH batteries are ready to be used when purchased, and have only 15% discharge in a year.[60]

Some deterioration occurs on each charge–discharge cycle. Degradation usually occurs because electrolyte migrates away from the electrodes or because active material detaches from the electrodes. Low-capacity NiMH batteries (1,700–2,000 mA·h) can be charged some 1,000 times, whereas high-capacity NiMH batteries (above 2,500 mA·h) last about 500 cycles.[61] NiCd batteries tend to be rated for 1,000 cycles before their internal resistance permanently increases beyond usable values. Fast charging increases component changes, shortening battery lifespan.[61] If a charger cannot detect when the battery is fully charged then overcharging is likely, damaging it.[62]

NiCd cells, if used in a particular repetitive manner, may show a decrease in capacity called "memory effect".[63] The effect can be avoided with simple practices. NiMH cells, although similar in chemistry, suffer less from memory effect.[64]

Las baterías recargables de plomo-ácido para automóviles deben soportar estrés debido a vibraciones, golpes y rangos de temperatura. Debido a estos estrés y a la sulfatación de sus placas de plomo, pocas baterías para automóviles duran más de seis años de uso regular. [ 65 ] Las baterías de arranque para 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. Normalmente se descargan solo ligeramente antes de recargarlas. Las baterías de plomo-ácido de "ciclo profundo", como las que se usan en los carritos de golf eléctricos, tienen placas mucho más gruesas para extender la longevidad. [ 66 ] El principal beneficio de la batería de plomo-ácido es su bajo costo; sus principales desventajas son el gran tamaño y peso para una capacidad y voltaje dados. Las baterías de plomo-ácido nunca deben descargarse por debajo del 20% de su capacidad, [ 67 ] porque la resistencia interna causará calor y daños cuando se recarguen. Los sistemas de plomo-ácido de ciclo profundo suelen utilizar una luz de advertencia de carga baja o un interruptor de corte de energía por carga baja para evitar el tipo de daño que acortará la vida útil de la batería. [ 68 ]

La vida útil de las baterías se puede prolongar almacenándolas a baja temperatura, como en un refrigerador o congelador , lo que ralentiza las reacciones secundarias. Este almacenamiento puede extender la vida útil de las baterías alcalinas en aproximadamente un 5%; las baterías recargables pueden mantener su carga mucho más tiempo, dependiendo del tipo. [ 69 ] Para alcanzar su voltaje máximo, las baterías deben volver a la temperatura ambiente; descargar una batería alcalina a 250  mA a 0  °C es solo la mitad de eficiente que a 20  °C. [ 34 ] Los fabricantes de baterías alcalinas, como Duracell, no recomiendan refrigerar las baterías. [ 33 ]

Peligros

Explosión

Batería después de la explosión

La explosión de una batería generalmente se produce por un mal uso o un mal funcionamiento, como intentar recargar una batería primaria (no recargable) o un cortocircuito .

Cuando una batería se recarga a una velocidad excesiva, se puede producir una mezcla explosiva de gases de hidrógeno y oxígeno más rápido de lo que puede escapar del interior de la batería (por ejemplo, a través de una ventilación incorporada), lo que provoca una acumulación de presión y la eventual explosión de la carcasa de la batería. En casos extremos, los productos químicos de la batería pueden salir disparados violentamente de la carcasa y causar lesiones. Un resumen experto del problema indica que este tipo utiliza "electrolitos líquidos para transportar iones de litio entre el ánodo y el cátodo. Si una celda de batería se carga demasiado rápido, puede causar un cortocircuito, lo que provoca explosiones e incendios". [ 70 ] [ 71 ] Las baterías de los automóviles tienen más probabilidades de explotar cuando un cortocircuito genera corrientes muy altas. Dichas 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 coche con cables de puente, la alta corriente puede provocar la liberación rápida de grandes volúmenes de hidrógeno, que pueden encenderse de forma explosiva por una chispa cercana, por ejemplo, al desconectar un cable de puente .

La sobrecarga (intentar cargar una batería más allá de su capacidad eléctrica) puede provocar una explosión, además de fugas o daños irreversibles. También puede dañar el cargador o el dispositivo en el que se utilice posteriormente la batería sobrecargada.

La eliminación de una batería mediante incineración puede provocar una explosión debido a la acumulación de vapor dentro de la carcasa sellada.

Fuga

Fuga - batería alcalina dañada

Muchos componentes químicos de las baterías son corrosivos, tóxicos o ambas cosas. Si se produce una fuga , ya sea espontánea o accidental, los productos químicos liberados pueden ser peligrosos. Por ejemplo, las baterías desechables suelen utilizar un recipiente de zinc que actúa como reactivo y como contenedor para los demás reactivos. Si este tipo de batería se descarga en exceso, los reactivos pueden filtrarse a través del cartón y el plástico que forman el resto del recipiente. La fuga de estos productos químicos activos puede dañar o inutilizar los equipos que alimentan las baterías. Por este motivo, muchos fabricantes de dispositivos electrónicos recomiendan retirar las baterías de los dispositivos que no se vayan a utilizar durante periodos prolongados.

Desecho

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. [ 72 ] Las baterías son una forma de residuos electrónicos (RAEE). Los servicios de reciclaje de RAEE recuperan sustancias tóxicas, que luego pueden usarse para baterías nuevas. [ 73 ] De los casi tres mil millones de baterías que se compran anualmente en los Estados Unidos, alrededor de 179 000 toneladas terminan en vertederos en todo el país. [ 74 ]

Ingestión

Las baterías pueden ser dañinas o mortales si se ingieren . [ 75 ] Las pilas de botón pequeñas pueden ser ingeridas, en particular por niños pequeños. Mientras están en el tracto digestivo, la descarga eléctrica de la batería puede provocar daño tisular; [ 76 ] dicho daño es ocasionalmente grave y puede provocar la muerte. Las baterías de disco ingeridas generalmente no causan problemas a menos que se alojen en el tracto gastrointestinal . El lugar más común donde se alojan las baterías de disco es el esófago, lo que produce secuelas clínicas . Es poco probable que las baterías que logran atravesar 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. Los niños mayores no tienen problemas con baterías de menos de 21–23  mm. Puede producirse necrosis por licuefacción debido a que se genera hidróxido de sodio por la corriente producida por la batería (generalmente en el ánodo). La perforación se ha producido tan rápidamente como 6 horas después de la ingestión. [ 77 ] Algunos fabricantes agregan un agente amargo a sus baterías para evitar que se traguen. [ 78 ]

Legislación y regulación

La legislación relativa a las baterías eléctricas abarca temas como la eliminación segura y el reciclaje. En respuesta a los accidentes y fallos notificados, que en ocasiones incluyen ignición o explosión, las retiradas del mercado de dispositivos que utilizan baterías de iones de litio se han vuelto más frecuentes en los últimos años. [ 79 ] [ 80 ]

Estados Unidos

En Estados Unidos, la Ley de Gestión de Baterías Recargables y que Contienen Mercurio de 1996 prohibió la venta de baterías que contenían mercurio, estableció requisitos de etiquetado uniformes para las baterías recargables y exigió que estas fueran fácilmente extraíbles. [ 81 ] California y la ciudad de Nueva York prohíben la eliminación de baterías recargables en los residuos sólidos. [ 82 ] [ 83 ] La industria de baterías recargables opera programas de reciclaje a nivel nacional en Estados Unidos y Canadá, con puntos de entrega en comercios locales. [ 84 ]

unión Europea

La Directiva de Baterías de la Unión Europea establece requisitos similares, además de exigir un mayor reciclaje de baterías y promover la investigación sobre métodos mejorados de reciclaje . [ 85 ] De conformidad con esta directiva, todas las baterías que se vendan en la UE deben estar marcadas con el «símbolo de recogida» (un contenedor de basura tachado). Este debe cubrir al menos el 3 % de la superficie de las baterías prismáticas y el 1,5 % de la superficie de las baterías cilíndricas. Todos los embalajes deben estar marcados de la misma manera. [ 86 ]

El 9 de diciembre de 2022, el Parlamento Europeo llegó a un acuerdo para obligar, a partir de 2026, a los fabricantes a diseñar todos los aparatos eléctricos vendidos en la UE (y que no se utilicen predominantemente en condiciones húmedas) de manera que los consumidores puedan extraer y reemplazar fácilmente las baterías por sí mismos. [ 87 ] [ 88 ]

Véase también

Referencias

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