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 que fluirán a través de un circuito eléctrico externo hasta el terminal positivo. Cuando una batería está conectada a una carga eléctrica externa, una reacción redox convierte reactivos de alta energía 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 de múltiples celdas; sin embargo, el uso ha evolucionado para incluir dispositivos compuestos de una sola celda. [3]
Las baterías primarias (de un solo uso o "desechables") se usan una vez y se desechan , ya que los materiales de los electrodos se modifican irreversiblemente durante la descarga; un ejemplo común es la batería alcalina que se usa para linternas y una multitud de dispositivos electrónicos portátiles. Las baterías secundarias (recargables) se pueden descargar y recargar varias veces utilizando una corriente eléctrica aplicada; la composición original de los electrodos se puede restaurar mediante una corriente inversa. Algunos ejemplos incluyen las baterías de plomo-ácido que se usan en los vehículos y las baterías de iones de litio que se usan para dispositivos electrónicos portátiles, como computadoras portátiles y teléfonos móviles .
Las baterías vienen en muchas formas y tamaños, desde celdas en miniatura que se usan para alimentar audífonos y relojes de pulsera hasta, en el extremo más grande, enormes bancos de baterías del tamaño de una habitación que proporcionan energía de reserva o de emergencia para 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.
Benjamin Franklin utilizó por primera vez el término "batería" en 1749 cuando estaba haciendo experimentos con electricidad utilizando un conjunto de condensadores de Leyden conectados. [4] Franklin agrupó una serie de frascos en lo que describió como una "batería", utilizando el término militar para las armas que funcionan juntas. [5] Al multiplicar el número de recipientes de contención, se podría almacenar una carga más fuerte y habría más energía disponible al descargarse.
El físico italiano Alessandro Volta construyó y describió la primera batería electroquímica, la pila voltaica , en 1800. [6] Se trataba de una pila de placas de cobre y zinc, separadas por discos de papel empapados en salmuera, que podían producir una corriente constante durante un período de tiempo considerable. Volta no entendía 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 grande durante un período sostenido. La pila Daniell , inventada en 1836 por el químico británico John Frederic Daniell , fue la primera fuente práctica de electricidad , convirtiéndose en un estándar de la industria y viendo una adopción generalizada como fuente de energía para redes de telégrafo eléctrico . [10] Consistía en una olla de cobre llena de una solución de sulfato de cobre , en la que se sumergía un recipiente de barro sin esmaltar lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc. [11]
Estas pilas húmedas utilizaban electrolitos líquidos, que eran propensos a fugas y derrames si no se manipulaban correctamente. Muchas utilizaban frascos de vidrio para guardar sus componentes, lo que las hacía frágiles y potencialmente peligrosas. Estas características hacían que las pilas húmedas no fueran adecuadas para los aparatos portátiles. Cerca del final del siglo XIX, la invención de las baterías de celda seca , que sustituyeron el electrolito líquido por una pasta, hizo que los dispositivos eléctricos portátiles fueran prácticos. [12]
Históricamente, las baterías de los dispositivos de tubos de vacío utilizaban una celda húmeda para la batería "A" (para proporcionar energía al filamento) y una celda seca para la batería "B" (para proporcionar el voltaje de la placa). [ cita requerida ]
Entre 2010 y 2018, la demanda anual de baterías creció un 30%, alcanzando un total de 180 GWh en 2018. De manera conservadora, se espera que la tasa de crecimiento se mantenga en un estimado del 25%, culminando con una demanda que alcance los 2600 GWh en 2030. Además, se espera que las reducciones de costos aumenten aún más la demanda hasta 3562 GWh. [13]
Entre las razones importantes de esta alta tasa de crecimiento de la industria de las baterías eléctricas se incluyen la electrificación del transporte [13] y el despliegue a gran escala en las redes eléctricas [13], respaldados por el cambio climático antropogénico que se aleja de las fuentes de energía basadas en la combustión de combustibles fósiles hacia fuentes más limpias y renovables y regímenes de emisiones más estrictos.
Las baterías eléctricas distribuidas, como las que se utilizan en los vehículos eléctricos a batería ( vehículo a red ) y en el almacenamiento de energía en el hogar , con medición inteligente y que están conectadas a redes inteligentes para la respuesta a la demanda , son participantes activos en las redes de suministro de energía inteligente. [14] Los nuevos métodos de reutilización, como el uso escalonado de baterías parcialmente usadas, aumentan la utilidad general de las baterías eléctricas, reducen los costos de almacenamiento de energía y también reducen los impactos de la contaminación/emisiones debido a una vida útil más larga. En el uso escalonado de baterías, las baterías eléctricas de vehículos que tienen su capacidad de batería reducida a menos del 80%, generalmente después de un servicio de 5 a 8 años, se reutilizan para su uso como suministro de respaldo o para sistemas de almacenamiento de energía renovable. [15]
El almacenamiento de energía a escala de red prevé el uso a gran escala de baterías para recolectar y almacenar energía de la red o de una planta de energía y luego descargar esa energía en un momento posterior para proporcionar electricidad u otros servicios de 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 de suministro de energía inteligentes. [16]
Las baterías convierten la energía química directamente en energía eléctrica . En muchos casos, la energía eléctrica liberada es la diferencia en las energías de cohesión [17] o de enlace de los metales, óxidos o moléculas que experimentan la reacción electroquímica. Por ejemplo, la energía se puede almacenar en Zn o Li, que son metales de alta energía porque no están estabilizados por el enlace de electrones d, a diferencia de los metales de transición . Las baterías están diseñadas de modo que la reacción redox energéticamente favorable pueda ocurrir solo cuando los electrones se mueven a través de la parte externa del circuito.
Una batería consta de un cierto número de celdas voltaicas . Cada celda consta de dos semiceldas conectadas en serie por un electrolito conductor que contiene cationes metálicos . Una semicelda incluye el electrolito y el electrodo negativo, el electrodo al que migran los aniones (iones con carga negativa); la otra semicelda incluye el electrolito y el electrodo positivo, al que migran los cationes ( iones con carga positiva ). Los cationes se reducen (se añaden electrones) en el cátodo, mientras que los átomos de metal se oxidan (se eliminan electrones) en el ánodo. [18] Algunas celdas utilizan diferentes electrolitos para cada semicelda; luego se utiliza un separador para evitar la mezcla de los electrolitos mientras se permite que los iones fluyan entre las semiceldas para completar el circuito eléctrico.
Cada semicelda tiene una fuerza electromotriz ( fem , medida en voltios) relativa a un . La fem neta de la celda es la diferencia entre las fem de sus semiceldas. [19] Por lo tanto, si los electrodos tienen fem y , entonces la fem neta es ; en otras palabras, la fem neta es la diferencia entre los potenciales de reducción de las semirreacciones . [20]
La fuerza impulsora eléctrica o a través de los terminales de una celda se conoce como voltaje terminal (diferencia) y se mide en voltios . [21] 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, [22] 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 excede el voltaje de circuito abierto. [23] Una celda ideal tiene una resistencia interna despreciable, por lo que mantendría un voltaje terminal constante de hasta que se agote, y luego caerá a cero. Si una celda de este tipo mantuviera 1,5 voltios y produjera una carga de un culombio , entonces en la descarga completa habría realizado 1,5 julios de trabajo. [21] En las celdas reales, la resistencia interna aumenta bajo la descarga [22] y el voltaje de circuito abierto también disminuye bajo la descarga. Si el voltaje y la resistencia se grafican en función del tiempo, los gráficos resultantes suelen ser una curva; La forma de la curva varía según la química y la disposición interna empleada.
El voltaje que se desarrolla a través de los terminales de una celda depende de la liberación de energía de las reacciones químicas de sus electrodos y electrolitos. Las celdas alcalinas y de zinc-carbono tienen diferentes químicas, pero aproximadamente la misma fem de 1,5 voltios; de la misma manera, las celdas de NiCd y NiMH tienen diferentes químicas, pero aproximadamente la misma fem de 1,2 voltios. [24] Los altos cambios de potencial electroquímico en las reacciones de los compuestos de litio dan a las celdas de litio fem de 3 voltios o más. [25]
Casi cualquier líquido o objeto húmedo que tenga suficientes iones para ser conductor de electricidad puede servir como electrolito para una célula. Como novedad o demostración científica, es posible insertar dos electrodos hechos de diferentes metales en un limón , [26] papa, [27] etc. y generar pequeñas cantidades de electricidad.
Una pila voltaica se puede hacer con dos monedas (como una de cinco centavos y una de un centavo ) y un trozo de toalla de papel sumergido en agua salada . Una pila de este tipo genera un voltaje muy bajo pero, cuando se apilan muchas en serie , pueden reemplazar a las baterías normales durante un corto período de tiempo. [28]
Las baterías se clasifican en formas primarias y secundarias:
Algunos tipos de baterías primarias utilizadas, por ejemplo, para circuitos telegráficos , se restauraron a su funcionamiento reemplazando los electrodos. [31] 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 celdas primarias , pueden producir corriente inmediatamente después del ensamblaje. Estas se usan más comúnmente en dispositivos portátiles que tienen un bajo consumo de corriente, se usan solo de manera intermitente o se usan lejos de una fuente de energía alternativa, como en circuitos de alarma y comunicación donde otra energía eléctrica solo está disponible de manera intermitente. Las celdas primarias desechables no se pueden recargar de manera confiable, ya que las reacciones químicas no son fácilmente reversibles y los materiales activos pueden no regresar a sus formas originales. Los fabricantes de baterías recomiendan no intentar recargar las celdas primarias. [32] En general, estas tienen densidades de energía más altas que las baterías recargables, [33] 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 celdas secundarias o baterías recargables , deben cargarse antes del primer uso; generalmente se ensamblan con materiales activos en el estado descargado. Las baterías recargables se (re)cargan aplicando corriente eléctrica, que revierte las reacciones químicas que ocurren durante la descarga/uso. Los dispositivos para suministrar la corriente adecuada se denominan cargadores. La forma más antigua de batería recargable es la batería de plomo-ácido , que se usa ampliamente en aplicaciones automotrices y náuticas . Esta tecnología contiene 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 sobretensión la hacen común donde su capacidad (más de aproximadamente 10 Ah) es más importante que los problemas de peso y manipulación. Una aplicación común es la batería de automóvil moderna , que puede, en general, entregar una corriente pico de 450 amperios .
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Se han producido muchos tipos de celdas electroquímicas, con diferentes procesos químicos y diseños, incluidas celdas galvánicas , celdas electrolíticas , celdas de combustible , celdas de flujo y pilas voltaicas. [34]
Una batería de celda húmeda tiene un electrolito líquido . Otros nombres son celda inundada , ya que el líquido cubre todas las partes internas o celda ventilada , ya que los gases producidos durante el funcionamiento pueden escapar al aire. Las celdas húmedas fueron un precursor de las celdas secas y se usan comúnmente como una herramienta de aprendizaje para la electroquímica . Se pueden construir con suministros de laboratorio comunes, como vasos de precipitados , para demostraciones de cómo funcionan 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 celdas primarias (no recargables) o celdas secundarias (recargables). Originalmente, todas las baterías primarias prácticas, como la celda Daniell , se construyeron como celdas húmedas de frasco 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 celdas húmedas todavía se utilizan en baterías de automóviles y en la industria para la energía de reserva para cuadros eléctricos , telecomunicaciones o grandes sistemas de alimentación ininterrumpida , pero en muchos lugares se han utilizado baterías con celdas de gel . Estas aplicaciones utilizan comúnmente celdas de plomo-ácido o de níquel-cadmio . Las baterías de sal fundida 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 solo la humedad suficiente para permitir que fluya la corriente. A diferencia de una pila húmeda, una pila seca puede funcionar en cualquier orientación sin derramarse, ya que no contiene líquido libre, lo que la hace adecuada para equipos portátiles. En comparación, las primeras pilas húmedas eran típicamente frágiles contenedores de vidrio con varillas de plomo colgando de la parte superior abierta y necesitaban un manejo cuidadoso para evitar derrames. Las baterías de plomo-ácido no lograron 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 celda seca Leclanché , con un voltaje nominal de 1,5 voltios , el mismo que la batería alcalina (ya que ambas usan la misma combinación de zinc y dióxido de manganeso ). Una pila seca estándar comprende 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 lo ocupa una segunda pasta compuesta por cloruro de amonio y dióxido de manganeso, este último actuando como despolarizador . En algunos diseños, el cloruro de amonio se sustituye por cloruro de cinc .
Una batería de reserva se puede almacenar sin ensamblar (sin activar y sin suministrar energía) durante un largo período (quizás años). Cuando se necesita la batería, se ensambla (por ejemplo, agregando electrolito); una vez ensamblada, la batería se carga y está lista para funcionar. Por ejemplo, una batería para una espoleta de artillería electrónica podría activarse por el impacto del disparo de un arma. La aceleración rompe una cápsula de electrolito que activa la batería y alimenta los circuitos de la espoleta. Las baterías de reserva generalmente están diseñadas para una vida útil corta (segundos o minutos) después de 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 dirigido por el inventor de la batería de iones de litio John Goodenough , "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". [35] También se dice que la batería de estado sólido tiene "tres veces la densidad energética", 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. También tienen una vida útil mucho más larga. [36]
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. [37]
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 extiende la vida útil . [38] 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 creciente de densidad de potencia y costo) incluyen celdas de níquel-cadmio (NiCd), níquel-cinc (NiZn), níquel-hidruro metálico (NiMH) y celdas de iones de litio (Li-ion). El ion de litio tiene, con diferencia, la mayor cuota del mercado de las pilas secas recargables. El NiMH ha sustituido al NiCd en la mayoría de las aplicaciones debido a su mayor capacidad, pero el NiCd sigue utilizándose en herramientas eléctricas , radios bidireccionales y equipos médicos .
En la década de 2000, los avances incluyen baterías con electrónica incorporada como USBCELL , que permite cargar una batería AA a través de un conector USB , baterías nanoball que permiten una tasa de descarga aproximadamente 100 veces mayor que las baterías actuales y paquetes de baterías inteligentes con monitores de estado de carga y circuitos de protección de batería que evitan daños por descarga excesiva. La baja autodescarga (LSD) permite cargar celdas secundarias antes del envío.
En el vuelo alimentado con energía solar más largo y de mayor altitud se utilizaron baterías de litio y azufre . [39]
Las baterías de todo tipo se fabrican en calidades industriales y de consumo. Las baterías de calidad industrial, más costosas, pueden utilizar productos químicos que proporcionen una mayor relación potencia-tamaño, tengan una menor autodescarga y, por lo tanto, una vida útil más larga cuando no se utilizan, más resistencia a las fugas y, por ejemplo, capacidad para soportar la alta temperatura y humedad asociadas con la esterilización médica en autoclave. [40]
Las baterías de formato estándar se insertan en el soporte de la batería del dispositivo que las utiliza. Cuando un dispositivo no utiliza baterías de formato estándar, normalmente se combinan en un paquete de baterías personalizado que contiene varias baterías además de funciones como un sistema de gestión de baterías y un aislador de baterías que garantizan que las baterías que se encuentran en su interior se carguen y descarguen de manera uniforme.
Las baterías primarias que se encuentran fácilmente a disposición de los consumidores van desde las diminutas pilas de botón que se utilizan para los relojes eléctricos hasta las pilas del número 6 que se utilizan para circuitos de señales u otras aplicaciones de larga duración. Las pilas secundarias se fabrican en tamaños muy grandes; las baterías muy grandes pueden alimentar un submarino o estabilizar una red eléctrica y ayudar a nivelar los picos de carga.
En 2017 , Tesla[actualizar] construyó en Australia del Sur la batería más grande del mundo , que puede almacenar 129 MWh. [41] En 2013 se construyó una batería en la provincia de Hebei (China) que puede almacenar 36 MWh de electricidad, con un coste de 500 millones de dólares. [42] Otra batería de gran tamaño, compuesta por células de Ni-Cd , estaba en Fairbanks (Alaska) . Ocupaba una superficie de 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 reserva en caso de apagón. La batería puede proporcionar 40 MW de energía durante un máximo de siete minutos. [43] Se han utilizado baterías de sodio y azufre para almacenar energía eólica . [44] Un sistema de batería de 4,4 MWh que puede suministrar 11 MW durante 25 minutos estabiliza la producción del parque eólico de Auwahi en Hawái. [45]
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. [46]
Las características de una batería pueden variar durante el ciclo de carga, el ciclo de sobrecarga y la vida útil debido a muchos factores, entre ellos la química interna, el consumo de corriente y la temperatura. A bajas temperaturas, una batería no puede entregar tanta energía. Por ello, en climas fríos, algunos propietarios de automóviles instalan calentadores de batería, que son pequeñas almohadillas térmicas eléctricas que mantienen caliente la batería del automóvil.
La capacidad de una batería es la cantidad de carga eléctrica que puede suministrar a un voltaje que no caiga 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. [49] La capacidad generalmente se expresa en amperios-hora (A·h) (mAh para baterías pequeñas). La capacidad nominal de una batería generalmente se expresa como el producto de 20 horas multiplicado por la corriente que una batería nueva puede suministrar de manera constante durante 20 horas a 20 °C (68 °F), mientras se mantiene por encima de un voltaje terminal especificado por celda. Por ejemplo, una batería con una clasificación de 100 A·h puede entregar 5 A durante un período de 20 horas a temperatura ambiente . La fracción de la carga almacenada que una batería puede entregar depende de múltiples factores, incluida la química de la batería, la velocidad a la que se entrega la carga (corriente), el voltaje terminal requerido, el período de almacenamiento, la temperatura ambiente y otros factores. [49]
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 :
dónde
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, generalmente de meses a años para una pérdida significativa. Cuando las baterías se recargan, las reacciones secundarias adicionales reducen la capacidad para descargas posteriores. Después de suficientes recargas, en esencia, se pierde toda la capacidad y la batería deja de producir energía. Las pérdidas de energía interna y las limitaciones en la velocidad a la que los iones pasan a través del electrolito hacen que la eficiencia de la batería varíe. Por encima de un umbral mínimo, la descarga a una velocidad baja libera más capacidad de la batería que a una velocidad más alta. La instalación de baterías con diferentes clasificaciones de A·h cambia el tiempo de funcionamiento, pero no el funcionamiento del dispositivo a menos que se excedan 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 indicada.
La tasa C es una medida de la velocidad a la que se carga o descarga una batería. Se define como la corriente a través de la batería dividida por el consumo de corriente teórico bajo el cual la batería entregaría su capacidad nominal en una hora. [51] Tiene las unidades h −1 . Debido a la pérdida de resistencia interna y los procesos químicos dentro de las celdas, una batería rara vez entrega la capacidad nominal en solo una hora. Por lo general, la capacidad máxima se encuentra en una tasa C baja, y la carga o descarga a una tasa C más alta reduce la vida útil y la capacidad de una batería. Los fabricantes a menudo publican hojas de datos con gráficos que muestran curvas de capacidad versus tasa C. La tasa C también se usa como una clasificación en las baterías para indicar la corriente máxima que una batería puede entregar de manera segura en un circuito. Las normas para baterías recargables generalmente califican la capacidad y los ciclos de carga durante un tiempo de descarga de 4 horas (0,25 °C), 8 horas (0,125 °C) o más. Los fabricantes pueden clasificar los tipos destinados a fines especiales, como un sistema de alimentación ininterrumpida para computadoras, para períodos de descarga mucho menores a una hora (1 °C), pero pueden tener una vida útil limitada.
En 2009 se desarrolló un fosfato de hierro y litio experimental ( LiFePO
4) La tecnología de baterías proporcionó la carga y la entrega de energía más rápidas, descargando toda su energía en una carga en 10 a 20 segundos. [52] En 2024 se demostró un prototipo de batería para autos eléctricos que podía cargarse del 10% al 80% en cinco minutos, [53] y una empresa china afirmó que las baterías de automóvil que había presentado se cargaban del 10% al 80% en 10,5 minutos (las baterías más rápidas disponibles), en comparación con los 15 minutos de Tesla para cargarse a la mitad. [54]
La duración de la batería (o vida útil) tiene dos significados para las baterías recargables, pero solo uno para las no recargables. Puede usarse para describir el tiempo que un dispositivo puede funcionar con una batería completamente cargada; esto también se denomina inequívocamente "resistencia". [55] Para una batería recargable, también puede usarse para la cantidad de ciclos de carga/descarga posibles antes de que las celdas dejen de funcionar satisfactoriamente; esto también se denomina "vida útil". [56] El término vida útil se usa para describir cuánto tiempo una batería conservará su rendimiento entre la fabricación y el uso. La capacidad disponible de todas las baterías disminuye con la disminución de la temperatura. A diferencia de la mayoría de las baterías actuales, la pila Zamboni , inventada en 1812, ofrece una vida útil muy larga sin reacondicionamiento ni recarga, aunque puede suministrar muy poca corriente (nanoamperios). La campana eléctrica de Oxford ha estado sonando casi continuamente desde 1840 con su par de baterías originales, que se cree que son pilas Zamboni. [ cita requerida ]
Las baterías desechables suelen perder entre un 8 y un 20 % de su carga original al año cuando se almacenan a temperatura ambiente (20-30 °C). [57] Esto se conoce como tasa de "autodescarga" y se debe a reacciones químicas "secundarias" que no producen corriente y que ocurren dentro de la celda incluso cuando no se aplica carga. La tasa de reacciones secundarias se reduce para las baterías almacenadas a temperaturas más bajas, aunque algunas pueden dañarse por congelación y almacenarlas en un refrigerador no prolongará significativamente la vida útil y corre el riesgo de dañar la condensación. [58] Las baterías recargables viejas se autodescargan más rápidamente que las baterías alcalinas desechables, especialmente las baterías a base de níquel; una batería de níquel cadmio (NiCd) recién cargada pierde el 10 % de su carga en las primeras 24 horas y, a partir de entonces, se descarga a una tasa de aproximadamente el 10 % al mes. Sin embargo, las baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH) de baja autodescarga más nuevas y los diseños de litio modernos muestran una tasa de autodescarga menor (pero aún mayor que las baterías primarias).
El material activo de las placas de la batería cambia su composición química en cada ciclo de carga y descarga; el material activo puede perderse debido a cambios físicos de volumen, lo que limita aún más la cantidad de veces que se puede recargar la batería. La mayoría de las baterías a base de níquel están parcialmente descargadas cuando se compran y deben cargarse antes del primer uso. [59] Las baterías de NiMH más nuevas están listas para usarse cuando se compran y solo se descargan un 15 % en un año. [60]
En cada ciclo de carga y descarga se produce cierto deterioro. La degradación suele producirse porque el electrolito se aleja de los electrodos o porque el material activo se desprende de ellos. Las baterías de NiMH de baja capacidad (1700–2000 mA·h) se pueden cargar unas 1000 veces, mientras que las baterías de NiMH de alta capacidad (por encima de 2500 mA·h) duran unos 500 ciclos. [61] Las baterías de NiCd suelen tener una capacidad nominal de 1000 ciclos antes de que su resistencia interna aumente permanentemente por encima de los valores utilizables. La carga rápida aumenta los cambios de componentes, lo que acorta la vida útil de la batería. [61] Si un cargador no puede detectar cuándo la batería está completamente cargada, es probable que se sobrecargue, lo que la dañará. [62]
Las pilas de NiCd, si se utilizan de una manera repetitiva, pueden mostrar una disminución de su capacidad llamada " efecto memoria ". [63] Este efecto se puede evitar con prácticas sencillas. Las pilas de NiMH, aunque son similares en su composición química, sufren menos el efecto memoria. [64]
Las baterías recargables de plomo-ácido para automóviles deben soportar tensiones debidas a vibraciones, golpes y rangos de temperatura. Debido a estas tensiones 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 : Starting, Lighting, Ignition ) tienen muchas placas delgadas para maximizar la corriente. En general, cuanto más gruesas sean las placas, más larga será la vida útil. Por lo general, se descargan solo un poco antes de recargarse. Las baterías de plomo-ácido de "ciclo profundo", como las que se usan en los carros 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 su gran tamaño y peso para una capacidad y voltaje determinados. Las baterías de plomo-ácido nunca deben descargarse por debajo del 20% de su capacidad, [67] porque la resistencia interna provocará calor y daños cuando se recarguen. Los sistemas de plomo-ácido de ciclo profundo a menudo utilizan 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 pilas se puede prolongar almacenándolas a baja temperatura, como en un frigorífico o congelador , lo que ralentiza las reacciones secundarias. Este tipo de almacenamiento puede prolongar la vida útil de las pilas alcalinas en un 5% aproximadamente; las pilas recargables pueden mantener su carga durante mucho más tiempo, según el tipo. [69] Para alcanzar su voltaje máximo, las pilas deben volver a ponerse a temperatura ambiente; descargar una pila alcalina a 250 mA a 0 °C es solo la mitad de eficiente que a 20 °C. [33] Los fabricantes de pilas alcalinas como Duracell no recomiendan refrigerar las pilas. [32]
Una explosión de batería generalmente es causada por un mal uso o mal funcionamiento, como intentar recargar una batería primaria (no recargable) o un cortocircuito .
Cuando una batería se recarga a un ritmo excesivo, 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 un respiradero incorporado), lo que provoca la acumulación de presión y la eventual explosión de la caja 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 la batería se carga demasiado rápido, puede provocar un cortocircuito, lo que provoca explosiones e incendios". [70] [71] Las baterías de automóvil tienen más probabilidades de explotar cuando un cortocircuito genera corrientes muy grandes. 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 automóvil con cables puente, la alta corriente puede provocar la rápida liberación de grandes volúmenes de hidrógeno, que pueden encenderse de forma explosiva si se produce una chispa cercana, por ejemplo, al desconectar un cable puente .
La sobrecarga (intentar cargar una batería más allá de su capacidad eléctrica) también puede provocar una explosión de la batería, además de fugas o daños irreversibles. También puede causar daños al cargador o al dispositivo en el que se utilice posteriormente la batería sobrecargada.
Desechar una batería mediante incineración puede provocar una explosión ya que se acumula vapor dentro de la carcasa sellada.
Muchos de los componentes químicos de las baterías son corrosivos, venenosos o ambas cosas. Si se produce una fuga , ya sea de forma espontánea o por accidente, los componentes químicos liberados pueden ser peligrosos. Por ejemplo, las baterías desechables suelen utilizar una "lata" de zinc como reactivo y como recipiente para contener los demás reactivos. Si este tipo de batería se descarga demasiado, los reactivos pueden salir a través del cartón y el plástico que forman el resto del recipiente. La fuga química activa puede dañar o inutilizar el equipo que alimentan las baterías. Por este motivo, muchos fabricantes de dispositivos electrónicos recomiendan retirar las baterías de los dispositivos que no se utilizarán durante períodos prolongados.
Muchos tipos de baterías utilizan 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 desechos electrónicos (e-waste). Los servicios de reciclaje de desechos electrónicos recuperan sustancias tóxicas, que luego se pueden usar para baterías nuevas. [73] De los casi tres mil millones de baterías que se compran anualmente en los Estados Unidos, aproximadamente 179.000 toneladas terminan en vertederos de todo el país. [74]
Las pilas pueden ser dañinas o fatales 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 pila puede provocar daño tisular; [76] este daño es ocasionalmente grave y puede provocar la muerte. Las pilas de disco ingeridas no suelen causar problemas a menos que se alojen en el tracto gastrointestinal . El lugar más común donde las pilas de disco se alojan es el esófago, lo que resulta en secuelas clínicas . Es poco probable que las pilas que atraviesan con éxito el esófago se alojen en otro lugar. La probabilidad de que una pila de disco se aloje en el esófago es una función de la edad del paciente y el tamaño de la pila. Los niños mayores no tienen problemas con pilas más pequeñas de 21 a 23 mm. Puede producirse necrosis por licuefacción porque el hidróxido de sodio se genera por la corriente producida por la pila (normalmente en el ánodo). La perforación ha ocurrido tan rápidamente como 6 horas después de la ingestión. [77]
Algunos fabricantes de baterías han añadido un mal sabor a las mismas para disuadirlas de tragarlas. [78]
La legislación sobre baterías eléctricas incluye temas como la eliminación segura y el reciclaje.
En los Estados Unidos, la Ley de Gestión de Baterías Recargables y que Contienen Mercurio de 1996 prohibió la venta de baterías que contienen mercurio, promulgó requisitos de etiquetado uniformes para baterías recargables y exigió que las baterías recargables sean fácilmente extraíbles. [79] California y la ciudad de Nueva York prohíben la eliminación de baterías recargables en residuos sólidos. [80] [81] La industria de baterías recargables opera programas de reciclaje a nivel nacional en los Estados Unidos y Canadá, con puntos de entrega en minoristas locales. [82]
La Directiva sobre pilas y baterías de la Unión Europea establece requisitos similares, además de exigir un mayor reciclaje de las pilas y promover la investigación sobre métodos mejorados de reciclaje de pilas y baterías . [83] De acuerdo con esta directiva, todas las pilas y baterías que se vendan en la UE deben estar marcadas con el "símbolo de recogida" (un contenedor de basura con ruedas tachado). Este símbolo debe cubrir al menos el 3% de la superficie de las pilas prismáticas y el 1,5% de la superficie de las pilas cilíndricas. Todos los embalajes deben estar marcados de la misma manera. [84]
En respuesta a los accidentes y fallas reportados, ocasionalmente ignición o explosión, los retiros del mercado de dispositivos que utilizan baterías de iones de litio se han vuelto más comunes en los últimos años. [85] [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 forma que los consumidores puedan quitar y sustituir fácilmente las baterías por sí mismos. [87] [88]
Pero ni siquiera el trabajo de John Goodenough cambia mi pronóstico de que los vehículos eléctricos tardarán al menos 50 años en alcanzar el 70 u 80 por ciento del mercado mundial de vehículos.
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