Batería recargable

Las tasas de carga y descarga de las baterías a menudo se discuten haciendo referencia a una tasa de corriente "C". La tasa C es la que teóricamente cargaría o descargaría completamente la batería en una hora. Por ejemplo, la carga lenta podría realizarse a C/20 (o una tasa de "20 horas"), mientras que la carga y descarga típicas pueden ocurrir a C/2 (dos horas para la capacidad total). La capacidad disponible de las celdas electroquímicas varía según la tasa de descarga. Parte de la energía se pierde en la resistencia interna de los componentes de la celda (placas, electrolito, interconexiones), y la tasa de descarga está limitada por la velocidad a la que los químicos en la celda pueden moverse. Para las celdas de plomo-ácido, la relación entre el tiempo y la tasa de descarga se describe mediante la ley de Peukert ; una celda de plomo-ácido que ya no puede mantener un voltaje terminal utilizable a una corriente alta aún puede tener capacidad utilizable, si se descarga a una tasa mucho menor. Las hojas de datos para celdas recargables a menudo enumeran la capacidad de descarga en 8 horas o 20 horas u otro tiempo especificado; Las celdas para sistemas de alimentación ininterrumpida pueden tener una capacidad de descarga de 15 minutos.

El voltaje en los terminales de la batería no es constante durante la carga y la descarga. Algunos tipos tienen un voltaje relativamente constante durante la descarga en gran parte de su capacidad. Las pilas alcalinas y de zinc-carbono no recargables ofrecen 1,5  V cuando son nuevas, pero este voltaje disminuye con el uso. La mayoría de las pilas NiMH AA y AAA tienen una tensión nominal de 1,2  V, pero presentan una curva de descarga más plana que las alcalinas y, por lo general, pueden utilizarse en equipos diseñados para usar pilas alcalinas .

Las notas técnicas de los fabricantes de baterías suelen referirse al voltaje por celda (VPC) de las celdas individuales que componen la batería. Por ejemplo, para cargar una  batería de plomo-ácido de 12 V (que contiene 6 celdas de 2  V cada una) a 2,3 VPC se requiere un voltaje de 13,8  V entre los terminales de la batería.

Someter una pila descargada a una corriente en la dirección que tiende a descargarla aún más hasta el punto en que los terminales positivo y negativo invierten su polaridad provoca una condición llamadaInversión de la celda . Generalmente, al hacer pasar corriente a través de una celda descargada de esta manera, se producen reacciones químicas indeseables e irreversibles, lo que resulta en un daño permanente a la celda. La inversión de la celda puede ocurrir en diversas circunstancias, siendo las dos más comunes:

• Cuando una batería o pila se conecta a un circuito de carga de forma incorrecta.
• Cuando una batería compuesta por varias celdas conectadas en serie se descarga profundamente.

En este último caso, el problema se produce debido a que las distintas celdas de la batería tienen capacidades ligeramente diferentes. Cuando una celda se descarga antes que las demás, las celdas restantes fuerzan el paso de la corriente a través de la celda descargada.

Muchos dispositivos que funcionan con baterías tienen un sistema de corte por bajo voltaje que evita descargas profundas que podrían provocar la inversión de polaridad de las celdas. Una batería inteligente incorpora un circuito de monitorización de voltaje.

La inversión de polaridad puede ocurrir en una celda débilmente cargada incluso antes de que se descargue por completo. Si la corriente de descarga de la batería es suficientemente alta, la resistencia interna de la celda puede crear una caída de voltaje resistiva mayor que la fuerza electromotriz directa de la celda . Esto resulta en la inversión de la polaridad de la celda mientras fluye la corriente. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Cuanto mayor sea la tasa de descarga requerida de una batería, mejor deben estar emparejadas las celdas, tanto en el tipo de celda como en el estado de carga, para reducir las posibilidades de inversión de polaridad.

En ciertas situaciones, como al corregir baterías de NiCd que se han sobrecargado previamente, ^{[ 8 ]} puede ser conveniente descargar completamente la batería. Para evitar daños por el efecto de inversión de polaridad, es necesario acceder a cada celda por separado: cada celda se descarga individualmente conectando una pinza de carga a través de sus terminales, evitando así la inversión de polaridad.

Si una batería multicelda se descarga por completo, a menudo se dañará debido al efecto de inversión de polaridad mencionado anteriormente. Sin embargo, es posible descargar completamente una batería sin provocar la inversión de polaridad, ya sea descargando cada celda por separado o permitiendo que la fuga interna de cada celda disipe su carga gradualmente.

Aunque una celda se descargue por completo sin invertir su polaridad, puede sufrir daños con el tiempo simplemente por permanecer en ese estado. Un ejemplo de ello es la sulfatación que se produce en las baterías de plomo-ácido que se dejan almacenadas durante largos periodos. Por este motivo, se recomienda cargar las baterías que se van a guardar y mantener su nivel de carga mediante recargas periódicas. Dado que la sobrecarga también puede provocar daños, el nivel de carga óptimo durante el almacenamiento suele estar entre el 30 % y el 70 %.

La profundidad de descarga (DOD) se expresa normalmente como un porcentaje de la capacidad nominal en amperios-hora; un 0 % de DOD significa que no hay descarga. Dado que la capacidad útil de un sistema de baterías depende de la tasa de descarga y del voltaje admisible al final de la descarga, la profundidad de descarga debe especificarse para indicar cómo se mide. Debido a las variaciones durante la fabricación y el envejecimiento, la DOD para una descarga completa puede cambiar con el tiempo o con el número de ciclos de carga . Generalmente, un sistema de baterías recargables tolerará más ciclos de carga/descarga si la DOD es menor en cada ciclo. ^{[ 9 ]} Las baterías de litio pueden descargarse hasta aproximadamente el 80 al 90 % de su capacidad nominal. Las baterías de plomo-ácido pueden descargarse hasta aproximadamente el 50-60 %. Mientras que las baterías de flujo pueden descargarse hasta el 100 %. ^{[ 10 ]}

Si las baterías se usan repetidamente, incluso sin maltrato, pierden capacidad a medida que aumenta el número de ciclos de carga, hasta que finalmente se considera que han llegado al final de su vida útil. Los distintos sistemas de baterías tienen diferentes mecanismos de desgaste. Por ejemplo, en las baterías de plomo-ácido, no todo el material activo se repone en las placas en cada ciclo de carga/descarga; con el tiempo, se pierde suficiente material como para que la capacidad de la batería se reduzca. En las baterías de iones de litio, especialmente durante la descarga profunda, se puede formar litio metálico reactivo durante la carga, que ya no está disponible para participar en el siguiente ciclo de descarga. Las baterías selladas pueden perder humedad de su electrolito líquido, especialmente si se sobrecargan o se utilizan a alta temperatura. Esto reduce la vida útil. ^{[ 11 ]}

El tiempo de recarga es un parámetro importante para el usuario de un producto con baterías recargables. Aunque la fuente de alimentación proporcione suficiente energía para el funcionamiento del dispositivo y la recarga de la batería, este debe estar conectado a una fuente de alimentación externa durante el proceso de carga. En el caso de vehículos eléctricos de uso industrial, la carga durante los periodos de inactividad puede ser aceptable. Para vehículos eléctricos de carretera, la carga rápida es necesaria para una recarga en un tiempo razonable.

Una batería recargable no puede recargarse a una velocidad arbitrariamente alta. La resistencia interna de la batería genera calor, y un aumento excesivo de la temperatura la dañará o destruirá. En algunos tipos, la velocidad máxima de carga está limitada por la velocidad a la que el material activo se difunde a través del electrolito líquido. Las altas velocidades de carga pueden producir un exceso de gas en la batería o provocar reacciones secundarias dañinas que reducen permanentemente su capacidad. En términos generales, y con muchas excepciones y salvedades, se considera carga rápida la recuperación total de la capacidad de una batería en una hora o menos. Un sistema de carga rápida incluye circuitos de control y estrategias de carga más complejos que un cargador diseñado para una recarga más lenta.

La batería de plomo-ácido , inventada en 1859 por el físico francés Gaston Planté , es el tipo de batería recargable más antiguo. A pesar de tener una relación energía-peso y una relación energía-volumen muy bajas, su capacidad para suministrar altas corrientes de arranque implica que las celdas tienen una relación potencia-peso relativamente alta . Estas características, junto con su bajo costo, la hacen atractiva para su uso en vehículos, ya que proporciona la alta corriente que requieren los motores de arranque .

La batería de níquel-cadmio (NiCd) fue inventada por Waldemar Jungner de Suecia en 1899. Utiliza hidróxido de óxido de níquel y cadmio metálico como electrodos . El cadmio es un elemento tóxico y fue prohibido para la mayoría de los usos por la Unión Europea en 2004. Las baterías de níquel-cadmio han sido casi completamente reemplazadas por las baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH).

La batería de níquel-hierro (NiFe) también fue desarrollada por Waldemar Jungner en 1899 y comercializada por Thomas Edison en 1901 en Estados Unidos para vehículos eléctricos y señalización ferroviaria . Está compuesta únicamente de elementos no tóxicos, a diferencia de muchos tipos de baterías que contienen mercurio, cadmio o plomo tóxicos.

La batería de níquel-metal hidruro (NiMH) estuvo disponible en 1989. ^{[ 12 ]} Estas son ahora un tipo común para el consumidor y la industria. La batería tiene una aleación absorbente de hidrógeno para el electrodo negativo en lugar de cadmio .

La batería de iones de litio, introducida en el mercado en 1991, es la opción preferida en la mayoría de los dispositivos electrónicos de consumo, ya que ofrece la mejor densidad energética y una pérdida de carga muy lenta cuando no está en uso. Sin embargo, también presenta inconvenientes, en particular el riesgo de ignición inesperada debido al calor que genera. ^{[ 13 ]} Estos incidentes son poco frecuentes y, según los expertos, pueden minimizarse «mediante un diseño, instalación, procedimientos y medidas de seguridad adecuados», por lo que el riesgo es aceptable. ^{[ 14 ]}

Las baterías de polímero de iones de litio (LiPo) son ligeras, ofrecen una densidad de energía ligeramente superior a la de las baterías de iones de litio a un coste ligeramente mayor y pueden fabricarse en cualquier forma. Están disponibles ^{[ 15 ]} pero no han desplazado a las de iones de litio en el mercado. ^{[ 16 ]} Un uso principal de las baterías LiPo es la alimentación de coches, barcos y aviones teledirigidos. Los paquetes LiPo están fácilmente disponibles en el mercado de consumo, en varias configuraciones, hasta 44,4  V, para alimentar ciertos vehículos y helicópteros o drones de radiocontrol. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Algunos informes de pruebas advierten del riesgo de incendio cuando las baterías no se utilizan de acuerdo con las instrucciones. ^{[ 19 ]} Las revisiones independientes de la tecnología analizan el riesgo de incendio y explosión de las baterías de iones de litio en ciertas condiciones debido a que utilizan electrolitos líquidos. ^{[ 20 ]}

‡ Se necesitan citas para estos parámetros

Notas

• ^a Voltaje nominal de la celda en V.
• ^b Densidad de energía = energía/peso o energía/tamaño, expresada en tres unidades diferentes.
• ^c Potencia específica = potencia/peso en W/kg
• ^e Energía/precio al consumidor en W·h / US$ (aproximadamente)
• ^f Tasa de autoalta en  %/mes
• ^g Durabilidad del ciclo en número de ciclos
• ^h Durabilidad en el tiempo en años
• ^{Las baterías} VRLA o recombinantes incluyen baterías de gel y esteras de fibra de vidrio absorbente.
• Producción ^piloto

Se han desarrollado varios tipos de baterías de litio-azufre , y numerosos grupos de investigación y organizaciones han demostrado que las baterías basadas en litio-azufre pueden alcanzar una densidad energética superior a otras tecnologías de litio. ^{[ 39 ]} Mientras que las baterías de iones de litio ofrecen una densidad energética en el rango de 150 a 260  Wh/kg, se espera que las baterías basadas en litio-azufre alcancen de 450 a 500  Wh/kg, y pueden eliminar el cobalto, el níquel y el manganeso del proceso de producción. ^{[ 23 ] [ 40 ]} Además, si bien inicialmente las baterías de litio-azufre sufrían problemas de estabilidad, investigaciones recientes han logrado avances en el desarrollo de baterías de litio-azufre que tienen ciclos tan largos como (o más largos que) las baterías basadas en tecnologías convencionales de iones de litio. ^{[ 41 ]}

La batería de película delgada (TFB) es un perfeccionamiento de la tecnología de iones de litio por Excellatron. ^{[ 42 ]} Los desarrolladores afirman un gran aumento en los ciclos de recarga a alrededor de 40 000 y tasas de carga y descarga más altas, una tasa de carga de al menos 5 C. Descarga sostenida de 60 C y tasa de descarga pico de 1000 C y un aumento significativo en la energía específica y la densidad de energía. ^{[ 43 ]}

Las baterías de fosfato de hierro y litio se utilizan en algunas aplicaciones.

UltraBattery , una batería híbrida de plomo-ácido y ultracondensador inventada por la organización científica nacional australiana CSIRO , exhibe decenas de miles de ciclos de estado de carga parcial y ha superado a las celdas tradicionales de plomo-ácido, litio y NiMH cuando se comparan en pruebas en este modo con perfiles de potencia de gestión de variabilidad. ^{[ 44 ]} UltraBattery tiene instalaciones a escala de kW y MW en Australia, Japón y EE. UU. También se ha sometido a pruebas exhaustivas en vehículos eléctricos híbridos y ha demostrado durar más de 100 000 millas de vehículo en pruebas comerciales en carretera en un vehículo de mensajería. Se afirma que la tecnología tiene una vida útil de 7 a 10 veces mayor que la de las baterías de plomo-ácido convencionales en uso de estado de carga parcial de alta tasa, con beneficios de seguridad y ambientales que se afirman sobre competidores como el ion de litio. Su fabricante sugiere que ya existe una tasa de reciclaje de casi el 100 % para el producto.

La batería de iones de potasio ofrece alrededor de un millón de ciclos, debido a la extraordinaria estabilidad electroquímica de los materiales de inserción/extracción de potasio, como el azul de Prusia . ^{[ 45 ]}

La batería de iones de sodio está diseñada para el almacenamiento estacionario y compite con las baterías de plomo-ácido. Su objetivo es lograr un bajo costo total de propiedad por kWh de almacenamiento, gracias a una vida útil prolongada y estable. El número efectivo de ciclos supera los 5000 y la batería no se daña por descargas profundas. Su densidad energética es relativamente baja, ligeramente inferior a la de las baterías de plomo-ácido.