Tipos de baterías

Toda la información:

Tipos de baterías por su naturaleza interna

Por lo que a su naturaleza interna se refiere, características electroquímicas, se encuentran habitualmente en el comercio acumuladores recargables de los tipos que se detallan a continuación.

Baterías de plomo-ácido

*Batería de ebonita con terminales expuestos.

Está constituida por dos electrodos de plomo, de manera que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo (II) (PbSO₄) incrustado en una matriz de plomo metálico en el elemento metálico (Pb); el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico.

Su funcionamiento es el siguiente:

Carga

Durante el proceso de carga inicial, el sulfato de plomo (II) pierde electrones o se reduce a plomo metal en el polo negativo (cátodo), mientras que en el ánodo se forma óxido de plomo (IV) (PbO₂). Por lo tanto, se trata de un proceso de dismutación. No se libera hidrógeno, ya que la reducción de los protones a hidrógeno elemental está cinéticamente impedida en la superficie de plomo, característica favorable que se refuerza incorporando a los electrodos pequeñas cantidades de plata. El desprendimiento de hidrógeno provocaría la lenta degradación del electrodo, ayudando a que se desmoronasen mecánicamente partes del mismo, alteraciones irreversibles que acortarían la duración del acumulador.

Descarga

Durante la descarga se invierten los procesos de la carga. El óxido de plomo (IV), que ahora funciona como cátodo, se reduce a sulfato de plomo (II), mientras que el plomo elemental se oxida en el ánodo para dar igualmente sulfato de plomo (II). Los electrones intercambiados se aprovechan en forma de corriente eléctrica por un circuito externo. Se trata, por lo tanto, de una conmutación. Los procesos elementales que trascurren son los siguientes:⁴

PbO₂ + 2 H₂SO₄ + 2 e^– → 2 H₂O + PbSO₄ + SO₄^2–

Pb + SO₄^2– → PbSO₄ + 2 e^–

En la descarga baja la concentración del ácido sulfúrico, porque se crea sulfato de plomo (II) y aumenta la cantidad de agua liberada en la reacción. Como el ácido sulfúrico concentrado tiene una densidad superior a la del ácido sulfúrico diluido, la densidad del ácido puede servir de indicador para el estado de carga del dispositivo.

Ciclos y vida

No obstante, este proceso no se puede repetir indefinidamente, porque, cuando el sulfato de plomo (II) forma cristales, ya no responden bien a los procesos indicados, con lo que se pierde la característica esencial de la reversibilidad. Se dice entonces que la batería se ha «sulfatado» y es necesario sustituirla por otra nueva. Las baterías de este tipo que se venden actualmente utilizan un electrolito en pasta, que no se evapora y hace mucho más segura y cómoda su utilización.

Ventajas

Bajo costo.
Fácil fabricación.

Desventajas

No admiten sobrecargas ni descargas profundas, viendo seriamente disminuida su vida útil.
Altamente contaminantes.
Baja densidad de energía: 30 Wh/kg.
Peso excesivo, al estar compuesta principalmente de plomo; por esta razón su uso en automóviles eléctricos se considera poco lógico por los técnicos electrónicos con experiencia. Su uso se restringe por esta razón.

Características

Voltaje proporcionado: 2 V/elemento.

Cuando varias celdas se agrupan para formar una batería comercial, reciben el nombre de vasos, que se conectan en serie para proporcionar un mayor voltaje. Dichos vasos se contienen dentro de una caja de polipropileno copolímero de alta densidad con compartimientos estancos para cada celda. La tensión suministrada por una batería de este tipo se encuentra normalizada en 12 voltios si posee 6 elementos o vasos para vehículos ligeros y 24 Voltios para vehículos pesados con 12 vasos. En algunos vehículos comerciales y agrícolas antiguos todavía se utilizan baterías de 6 voltios, de 3 elementos o vasos.

Densidad de energía: 30 Wh/kg.

Usos

Este tipo de acumulador se sigue utilizando en muchas aplicaciones: en los automóviles (para el arranque), sistemas fotovoltaicos y en aplicaciones estacionarias como acumuladores para fuentes de alimentación ininterrumpidas para equipos médicos, informáticos, equipos de seguridad, etc.

Baterías de níquel-hierro (Ni-Fe)

La batería de níquel-hierro, también denominada de ferroníquel, fue inventada por Waldemar Jungner en 1899, posteriormente desarrollada por Thomas Alva Edison y patentada en 1903. En el diseño original de Edison el cátodo estaba compuesto por hileras de finos tubos formados por laminas enrolladas de acero niquelado, estos tubos están rellenos de hidróxido de níquel u oxi-hidróxido de níquel (NiOOH). El ánodo se componía de cajas perforadas delgadas de acero niquelado que contienen polvo de óxido ferroso (FeO). El electrólito es alcalino, una disolución de un 20 % de potasa cáustica (KOH) en agua destilada.

Carga y descarga

Los electrodos no se disuelven en el electrolito, las reacciones de carga/descarga son completamente reversibles y la formación de cristales de hierro preserva los electrodos por lo cual no se produce efecto memoria lo que confiere a esta batería gran duración.⁵ Las reacciones de carga y descarga son las siguientes:

Cátodo: 2 NiOOH + 2 H₂O + 2 e^– ↔ 2 Ni(OH)₂ + 2 OH^–

Ánodo: Fe + 2 OH^– ↔ Fe(OH)₂ + 2 e^–

(Descarga se lee de izquierda a derecha y carga de derecha a izquierda.)

Ventajas

Bajo costo.
Fácil fabricación.
Admite sobrecargas, repetidas descargas totales e incluso cortocircuitos sin pérdida significativa de capacidad.
No es contaminante, no contiene metales pesados y el electrolito diluido se puede usar en aplicaciones agrícolas.
Muy larga vida útil, algunos fabricantes hablan de más de 100 años de esperanza de vida en los electrodos y 1000 ciclos de descarga 100 % en el electrolito.⁷ El electrolito se debe cambiar cada 20 años según instrucciones de uso redactadas por el propio Edison.
Compuesta de elementos abundantes en la corteza de la tierra (hierro, níquel, potasio)
Funciona en un mayor rango de temperaturas, entre −40 °C y 46 °C

Desventajas

Solo posee una eficiencia del 65 %.

Características

Voltaje proporcionado: 1,2 ~ 1,4 V
Densidad de energía: 40 Wh/kg
Energía/volumen: 30 Wh/l
Potencia/peso: 100 W/kg

Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd)

Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de materiales permite recargar la batería una vez está agotada, para su reutilización. Sin embargo, su densidad de energía es de tan solo 50 Wh/kg, lo que hace que tengan poca capacidad.

Ventajas

Admiten un gran rango de temperaturas de funcionamiento.
Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no admiten más carga, aunque no la almacena.

Desventajas

Efecto memoria muy alto.
Densidad de energía baja.

Características

Voltaje proporcionado: 1,2 V
Densidad de energía: 50 Wh/kg
Capacidad usual: 0,5 a 1,0 A (en pilas tipo AA)
Efecto memoria: muy alto

Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH)

*Un cargador de baterías AA, válido para Ni-MH y Ni-Cd.

Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico.

Ventajas

Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria.

Desventajas

No admiten bien el frío extremo, reduciendo drásticamente la potencia eficaz que puede entregar.

Características

Voltaje proporcionado: 1,2 V
Densidad de energía: 80 Wh/kg
Capacidad usual: 0,5 a 2,8 A (en pilas tipo AA)
Efecto memoria: bajo

Baterías de iones de litio (Li-ion)

Las baterías de iones de litio (Li-ion) utilizan un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO₄) u óxido de manganeso. Su desarrollo es más reciente, y permite llegar a altas densidades de capacidad. No admiten descargas y sufren mucho cuando estas suceden; por lo que suelen llevar acoplada circuitería adicional para conocer el estado de la batería, y evitar así tanto la carga excesiva como la descarga completa.

Ventajas

Apenas sufren el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de estar descargadas completamente, sin reducción de su vida útil.
Altas densidades de capacidad.

Desventajas

No admiten bien los cambios de temperatura.
No admiten descargas completas y sufren mucho cuando estas suceden.

Características

Voltaje proporcionado:
- A plena carga: entre 4,2 V y 4,3 V dependiendo del fabricante.
- A carga nominal: entre 3,6 V y 3,7 V dependiendo del fabricante.
- A baja carga: entre 2,65 V y 2,75 V dependiendo del fabricante (este valor no es un límite, se recomienda).
Densidad de energía: 115 Wh/kg
Capacidad usual: 1,5 a 2,8 A (en pilas tipo AA)
Efecto memoria: muy bajo

Usos

Móviles, tabletas, libros electrónicos, etc.

Baterías de polímero de litio (LiPo)

Son una variación de las baterías de iones de litio (Li-ion). Sus características son muy similares, pero permiten una mayor densidad de energía, así como una tasa de descarga bastante superior. Estas baterías tienen un tamaño más reducido respecto a las de otros componentes.

*Batería de polímero de litio (LiPo) de 11,1 V.

Cada celda tiene un voltaje nominal de 3,7 V, voltaje máximo 4,2 V y mínimo 3,0 V. Este último debe respetarse rigurosamente ya que la pila se daña irreparablemente a voltajes menores a 3 voltios. Se suele establecer la siguiente nomenclatura XSYP que significa X celdas en serie, e Y en paralelo. Por ejemplo 3s2p son dos baterías en paralelo, donde cada una tiene tres celdas o células. Esta configuración se consigue conectando ambas baterías con un cable paralelo.

Ventajas

Mayor densidad de carga, por tanto tamaño reducido.
Buena tasa de descarga, bastante superior a las de iones de litio.

Desventajas

Quedan casi inutilizadas si se descargan por debajo del mínimo de 3 voltios.

Tipos

Las baterías LiPo se venden generalmente de 1S a 4S lo que significa:

Li-PO 1S: una celda, 3,7 V.
Li-PO 2S: dos celdas, 7,4 V.
Li-PO 3S: tres celdas, 11,1 V.
Li-PO 4S: cuatro celdas, 14,8 V.

Usos

Su tamaño y peso las hace muy útiles para equipos pequeños que requieran potencia y duración, como manos libres bluetooth.

Pilas de combustible

La pila de combustible no se trata de un acumulador propiamente dicho, aunque convierte energía química en energía eléctrica y es recargable. Funciona con hidrógeno (Se usan otros combustibles como el metano o el metanol para obtener el hidrógeno).

Condensador de alta capacidad

Aunque los condensadores de alta capacidad no sean acumuladores electroquímicos en sentido estricto, en la actualidad se están consiguiendo capacidades lo suficientemente grandes (varios faradios, F) como para que se los pueda utilizar como baterías cuando las potencias a suministrar sean pequeñas, en relación a su capacidad de almacenamiento de energía.

Por ello se usan como batería en algunos relojes de pulsera que recogen la energía en forma de luz a través de células fotovoltaicas, o mediante un pequeño generador accionado mecánicamente por el muelle de la cuerda del reloj.

Aunque funcionan como acumuladores se les suele llamar condensadores, ya que condensan o almacenan la corriente eléctrica aunque esta fluctúe en el circuito.

Tabla comparativa de los diferentes tipos de baterías

Tipo	Energía/ peso	Tensión por elemento (V)	Duración (número de recargas)	Tiempo de carga	Auto-descarga por mes (% del total)
Plomo	30-40 Wh/kg	2 V	1000	8-16h	5 %
Ni-Fe	30-55 Wh/kg	1,2 V	+ de 10 000	4-8h	10 %
Ni-Cd	48-80 Wh/kg	1,25 V	500	10-14h *	30 %
Ni-Mh	60-120 Wh/kg	1,25 V	1000	2h-4h *	20 %
Li-ion	110-160 Wh/kg	3,7 V	4000	2h-4h	25 %
Li-Po	100-130 Wh/kg	3,7 V	5000	1h-1,5h	10 %

* Las baterías de níquel se pueden cargar hasta en 30 minutos, con cargas rápidas, pero disminuye su vida y se calientan en exceso, siendo las únicas que admiten este tipo de cargas.

Fuente: Wikipedia