Las baterías eléctricas tienen una amplísima gama de aplicaciones. Se utilizan como fuente de electricidad en juguetes para niñosLas baterías también se utilizan en herramientas eléctricas y como fuente de propulsión en vehículos eléctricos. Para utilizarlos correctamente, es necesario conocer sus propiedades, sus puntos fuertes y débiles.
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¿Qué es una batería eléctrica y cómo se construye?
La batería eléctrica - es una renovable fuente de energía eléctrica. A diferencia de las pilas galvánicas, puede recargarse después de una descarga. En principio, todas las pilas tienen la misma estructura y consisten en un cátodo y un ánodo colocados en un electrolito.
El material del electrodo y la composición del electrolito varían, y esto es lo que determina las propiedades de consumo de las pilas y su aplicación. Entre el cátodo y el ánodo puede colocarse un separador dieléctrico poroso, impregnado de electrolito. Pero determina sobre todo las propiedades mecánicas del conjunto y no afecta fundamentalmente al funcionamiento de la célula.
Básicamente, el funcionamiento de la batería se basa en dos conversiones de energía:
- eléctrico a químico en la carga;
- química a energía eléctrica en la descarga.
Ambas conversiones se basan en reacciones químicas reversibles, cuyo curso viene determinado por las sustancias utilizadas en la pila. En la célula de plomo-ácido, por ejemplo, la parte activa del ánodo es de dióxido de plomo y el cátodo es de plomo metálico. Los electrodos están en un electrolito de ácido sulfúrico. Durante la descarga en el ánodo, el dióxido de plomo se reduce a sulfato de plomo y agua, y el plomo en el cátodo se oxida a sulfato de plomo. Durante la carga, se producen las reacciones contrarias. En otros diseños de baterías, los componentes reaccionan de forma diferente, pero el principio es similar.
Tipos y clases de baterías
Las propiedades de consumo de las pilas recargables están determinadas principalmente por su tecnología de producción. Hay varios tipos de pilas que son los más comunes en el hogar y la industria.
Plomo-ácido .
Este tipo de baterías se inventó a mediados del siglo XIX, y todavía tiene su nicho de aplicación. Entre sus ventajas están:
- tecnología sencilla, barata y de producción elaborada durante décadas;
- salida de alta corriente;
- larga vida útil (de 300 a 1000 ciclos de carga y descarga);
- la menor corriente de autodescarga;
- ningún efecto de memoria.
Hay algunas desventajas. En primer lugar, se trata de una baja densidad de potencia que conlleva un aumento de las dimensiones y el peso. Además, se ha observado un mal rendimiento a temperaturas inferiores al punto de congelación, especialmente por debajo de los 20 °C bajo cero. También hay problemas con la eliminación: los compuestos de plomo son bastante tóxicos. Pero esto es un reto para otros tipos de baterías también tiene que ser tratada..
Aunque el diseño de las baterías de plomo-ácido se ha optimizado, incluso en este caso hay opciones de mejora. Por ejemplo, existe la tecnología AGM, en la que se coloca un material poroso impregnado de electrolito entre los electrodos. Los procesos de carga y descarga electroquímica no se ven afectados. Esto mejora principalmente las características mecánicas de las baterías (resistencia a las vibraciones, capacidad de trabajar en casi cualquier posición, etc.) y aumenta ligeramente la seguridad de funcionamiento.
Otra ventaja notable es la mejora del funcionamiento sin pérdida de capacidad y de la salida de corriente a temperaturas de hasta 30°C bajo cero. Los fabricantes de baterías AGM afirman que han aumentado la corriente de arranque y la vida útil.
Otra modificación de la batería de plomo es la batería de gel. El electrolito se espesa hasta convertirse en gelatina. Esto evita las fugas de electrolito durante el funcionamiento y elimina la posibilidad de gaseado. Sin embargo, la salida de corriente es algo reducida, lo que limita el uso de las baterías de gel como baterías de arranque. Las declaradas propiedades milagrosas de estas baterías en términos de mayor capacidad y vida útil son responsabilidad de los especialistas en marketing.
Las baterías de plomo-acumulador suelen cargarse en el modo de estabilización de tensión. Esto aumenta la tensión de la batería y disminuye la corriente de carga. El final del proceso de carga se indica con la caída de la corriente hasta un límite preestablecido.
Níquel-cadmio .
Están llegando al final de su edad y su rango de uso está disminuyendo gradualmente. Su principal desventaja es su efecto memoria. Si se empieza a cargar una batería de Ni-Cd incompletamente descargada, la célula "recuerda" este nivel y la capacidad se determina entonces por este valor. Otro problema es el escaso respeto por el medio ambiente. Los compuestos tóxicos de cadmio causan problemas en la eliminación de estas pilas. Otras desventajas son:
- alta tendencia a la autodescarga;
- capacidad energética relativamente baja.
Pero también hay ventajas:
- bajo coste;
- larga vida útil (hasta 1000 ciclos de carga y descarga);
- capacidad de emitir una corriente elevada.
Entre los méritos de este tipo de baterías se encuentra la capacidad de funcionar a bajas temperaturas negativas.
Las pilas de Ni-Cd se cargan en modo de corriente constante. La utilización plena de la capacidad puede lograrse mediante una disminución escalonada o continua de la corriente de carga. El final del proceso se controla mediante una reducción de la tensión de la célula.
Hidruro metálico de níquel .
Están diseñadas para sustituir a las pilas de níquel-cadmio. Tienen muchas mejores características y prestaciones que las baterías de Ni-Cd. El efecto memoria se eliminó parcialmente, la capacidad de energía aumentó aproximadamente una vez y media y se redujo la tendencia a la autodescarga. Al mismo tiempo, la producción actual se ha mantenido alta y el coste se ha mantenido aproximadamente al mismo nivel. El problema medioambiental se alivia: las baterías se fabrican sin utilizar compuestos tóxicos. Sin embargo, esto se pagó con un ciclo de vida considerablemente menor (hasta 5 veces más corto) y la capacidad de funcionar a temperaturas mínimas de hasta -20°C frente a los -40°C de las baterías de níquel-cadmio.
Estas células se cargan en modo DC. El final del proceso se controla cuando el voltaje de cada célula sube a 1,37 voltios. El modo de corriente pulsada con emisiones negativas es el más favorable. De este modo se eliminan los efectos de la memoria.
Baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio están conquistando el mundo. Están desplazando a otros tipos de batería de zonas en las que la posición parecía inmutable. Las celdas de iones de litio prácticamente no tienen efecto memoria (está presente, pero a nivel teórico), soportan hasta 600 ciclos de carga y descarga, y tienen una capacidad de 2 a 3 veces la de las baterías de níquel-hidruro metálico.
La tendencia a la autodescarga durante el almacenamiento también es mínima, pero hay que pagar literalmente por todo esto: estas baterías son mucho más caras que las tradicionales. Es de esperar que los precios bajen a medida que se desarrolle la producción, como suele ocurrir, pero es poco probable que la tecnología actual supere otros inconvenientes inherentes a este tipo de baterías: menor producción de corriente e incapacidad para funcionar a temperaturas bajo cero.
Además de un mayor riesgo de incendio, esto dificulta en cierta medida el uso de Baterías de iones de litio. También hay que tener en cuenta que estas células están sujetas a la degradación. Incluso si no se cargan y descargan, su esperanza de vida en sí misma se reduce a cero en 1,5...2 años de almacenamiento.
El modo de carga más favorable es en dos etapas. Primero con corriente constante (con una tensión que aumenta suavemente), luego con tensión constante (con una corriente que disminuye suavemente). En la práctica, la segunda etapa se implementa como una corriente de carga que disminuye constantemente. Incluso, con mayor frecuencia, esta etapa consiste en un solo paso: sólo una corriente estabilizada decreciente.
Las principales características de las pilas
El primer parámetro que se busca al elegir una batería es su tensión nominal. El voltaje de una célula de batería viene determinado por los procesos físicos y químicos que tienen lugar en su interior y depende del tipo de batería. Una batería completamente cargada puede ofrecer:
- pila de plomo - 2,1 voltios;
- níquel-cadmio - 1,25 voltios;
- hidruro de níquel-metal - 1,37 voltios;
- Iones de litio - 3,7 voltios.
Para obtener voltajes más altos, las células se ensamblan en baterías. Así, para una batería de coche, hay que conectar 6 baterías de plomo en serie para producir 12 voltios (12,6 voltios para ser exactos), y para un destornillador de 18 voltios, 5 baterías de iones de litio de 3,7 voltios cada una.
El segundo parámetro importante es capacidad. Esto determina el tiempo de funcionamiento de la batería bajo carga. Se mide en amperios hora (corriente dividida por tiempo). Por ejemplo, una batería con una capacidad de 3 A⋅h se descargará en 3 horas con una corriente de 1 amperio; con una corriente de 3 amperios, se descargará en 1 hora.
¡Importante! Estrictamente hablando, la capacidad de una batería depende de la corriente de descarga el producto del tiempo de descarga de la corriente y la descarga de la corriente a diferentes cargas no es el mismo para la misma batería.
Y el tercer parámetro importante capacidad de transporte de corriente. Es la corriente máxima que puede suministrar una batería. Esto es importante, por ejemplo, para batería de coche - determina la capacidad de arrancar el eje del motor en tiempo frío. También la capacidad de suministrar altas corrientes, creando un alto par, es importante para las herramientas eléctricas, por ejemplo. Sin embargo, esta característica es menos importante para los aparatos móviles.
Las propiedades eléctricas y el rendimiento de las pilas dependen de su diseño y tecnología de producción. El uso adecuado de la batería implica aprovechar las ventajas de las fuentes de energía químicas renovables y nivelar las desventajas.
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