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 está suministrando 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 se conecta a una carga eléctrica externa, una reacción redox convierte los 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 por múltiples celdas; sin embargo, el uso ha evolucionado para incluir dispositivos compuestos por una sola celda. [3]
Las baterías primarias (de un solo uso o "desechables") se usan una vez y se descartan , ya que los materiales de los electrodos cambian irreversiblemente durante la descarga; un ejemplo común es la pila alcalina utilizada en linternas y 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 corriente inversa. Los ejemplos incluyen las baterías de plomo-ácido utilizadas en vehículos y las baterías de iones de litio utilizadas para dispositivos electrónicos portátiles como computadoras portátiles y teléfonos móviles .
Las baterías vienen en muchas formas y tamaños, desde celdas en miniatura utilizadas para alimentar 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 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 ve compensado en cierta medida por 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 vaso de Leyden conectados . [4] Franklin agrupó varios frascos en lo que describió como una "batería", usando el término militar para armas que funcionan juntas. [5] Al multiplicar el número de recipientes de retención, se podría almacenar una carga más fuerte y habría más energía disponible en el momento de la descarga.
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 una longitud considerable. de tiempo. Volta no entendió que el voltaje se debía a reacciones químicas. Pensaba que sus células 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 eran de gran valor para fines experimentales, [9] en la práctica sus voltajes fluctuaban y no podían proporcionar una gran corriente durante un período sostenido. La celda 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 siendo ampliamente adoptada como fuente de energía para redes de telégrafos eléctricos . [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 vidriar lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc. [11]
Estas celdas húmedas utilizaban electrolitos líquidos, que eran propensos a sufrir fugas y derrames si no se manipulaban correctamente. Muchos utilizaban frascos de vidrio para guardar sus componentes, lo que los hacía frágiles y potencialmente peligrosos. Estas características hicieron que las celdas húmedas no fueran adecuadas para aparatos portátiles. Hacia finales del siglo XIX, la invención de las baterías secas , que sustituyeron el electrolito líquido por una pasta, hizo prácticos los dispositivos eléctricos portátiles. [12]
Las baterías en dispositivos de tubo de vacío históricamente 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 necesaria ]
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 25% estimado, 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]
Las razones importantes de esta alta tasa de crecimiento de la industria de las baterías eléctricas incluyen la electrificación del transporte [13] y el despliegue a gran escala en redes eléctricas, [13] respaldado por el alejamiento antropogénico de las fuentes de energía que queman combustibles fósiles impulsado por el cambio climático. a fuentes más limpias y renovables y a regímenes de emisiones más estrictos.
Las baterías eléctricas distribuidas, como las utilizadas en los vehículos eléctricos de 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 de la demanda , son participantes activos en las redes de suministro de energía inteligentes. [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 contaminación/emisiones debido a una vida más larga. En el uso escalonado de baterías, las baterías eléctricas de vehículos cuya capacidad se reduce a menos del 80%, generalmente después de 5 a 8 años de servicio, 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. [dieciséis]
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 mediante enlaces de electrones d, a diferencia de los metales de transición . Las baterías están diseñadas de modo que la reacción redox energéticamente favorable sólo pueda ocurrir 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 medias celdas conectadas en serie por un electrolito conductor que contiene cationes metálicos . Una media celda incluye el electrolito y el electrodo negativo, electrodo al que migran los aniones (iones cargados negativamente); la otra media celda incluye el electrolito y el electrodo positivo, al que migran los cationes ( iones cargados positivamente ). Los cationes se reducen (se añaden electrones) en el cátodo, mientras que los átomos metálicos se oxidan (se eliminan electrones) en el ánodo. [18] Algunas celdas usan diferentes electrolitos para cada media celda; luego se usa un separador para evitar la mezcla de los electrolitos y al mismo tiempo permitir que los iones fluyan entre las medias celdas para completar el circuito eléctrico.
Cada media celda tiene una fuerza electromotriz ( fem , medida en voltios) en relación con un estándar . 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 semireacciones . [20]
La fuerza impulsora eléctrica 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 insignificante, por lo que mantendría un voltaje terminal constante hasta que se agote y luego caería a cero. Si una celda de este tipo mantuviera 1,5 voltios y produjera una carga de un culombio , en caso de 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 trazan 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 desarrollado a través de los terminales de una celda depende de la liberación de energía de las reacciones químicas de sus electrodos y electrolitos. Las pilas alcalinas y las de zinc-carbono tienen químicas diferentes, pero aproximadamente la misma fem de 1,5 voltios; Asimismo, 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 células de litio fem de 3 voltios o más. [25]
Casi cualquier líquido u objeto húmedo que tenga suficientes iones para ser conductor de electricidad puede servir como electrolito para una celda. Como novedad o demostración científica, es posible insertar dos electrodos de diferentes metales en un limón , [26] patata, [27] etc. y generar pequeñas cantidades de electricidad.
Se puede hacer una pila voltaica con dos monedas (como una de cinco y un centavo ) y un trozo de papel toalla humedecido 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 por un corto tiempo. [28]
Las baterías se clasifican en formas primarias y secundarias:
Algunos tipos de baterías primarias utilizadas, por ejemplo, para los circuitos telegráficos , volvieron a funcionar mediante la sustitución de 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. Estos se usan más comúnmente en dispositivos portátiles que tienen un bajo consumo de corriente, se usan solo de manera intermitente o se usan muy 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 pilas primarias desechables no se pueden recargar de forma fiable, ya que las reacciones químicas no son fácilmente reversibles y es posible que los materiales activos no vuelvan a sus formas originales. Los fabricantes de baterías recomiendan no intentar recargar las celdas primarias. [32] En general, 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 pilas desechables incluyen pilas de zinc-carbono y pilas alcalinas .
Las baterías secundarias, también conocidas como celdas secundarias o baterías recargables , deben cargarse antes del primer uso; normalmente se ensamblan con materiales activos en estado descargado. Las baterías recargables se (re)cargan aplicando corriente eléctrica, lo que invierte las reacciones químicas que ocurren durante la descarga/uso. Los dispositivos que suministran la corriente adecuada se denominan 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 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 sobrecorriente lo hacen común donde su capacidad (más de aproximadamente 10 Ah) es más importante que los problemas de peso y manejo. Una aplicación común es la batería de automóvil moderna , que, en general, puede entregar una corriente máxima de 450 amperios .
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Se han producido muchos tipos de celdas electroquímicas, con diferentes procesos y diseños químicos, 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 pilas húmedas fueron precursoras de las pilas secas y se utilizan habitualmente como herramienta de aprendizaje de 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 secundarias (recargables). Originalmente, todas las baterías primarias prácticas, como la celda Daniell, se construían como celdas húmedas de frasco de vidrio con tapa abierta. Otras células húmedas primarias son la célula de Leclanche , la célula de Grove , la célula de Bunsen , la célula de ácido crómico , la célula de Clark y la célula de Weston . La química de las células de Leclanche se adaptó a las primeras células secas. Las celdas húmedas todavía se utilizan en baterías de automóviles y en la industria como energía de reserva para aparamenta , telecomunicaciones o grandes sistemas de alimentación ininterrumpida , pero en muchos lugares se han utilizado en su lugar baterías con celdas de gel . Estas aplicaciones suelen utilizar celdas de plomo-ácido o níquel-cadmio . Las baterías de sales fundidas son baterías primarias o secundarias que utilizan sal fundida como electrolito. Operan a altas temperaturas y deben estar bien aislados para retener el calor.
Una celda seca utiliza un electrolito en pasta, con suficiente humedad para permitir que fluya la corriente. A diferencia de una celda húmeda, una celda 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 celdas húmedas eran típicamente contenedores de vidrio frágiles con varillas de plomo colgando de la parte superior abierta y necesitaban un manejo cuidadoso para evitar derrames. Las baterías de plomo-ácido no alcanzaron la seguridad y portabilidad de las celdas secas hasta el desarrollo de las baterías de gel . Una pila seca común es la pila de zinc-carbono , a veces llamada pila seca de Leclanché , con un voltaje nominal de 1,5 voltios , la misma que la pila alcalina (ya que ambas utilizan la misma combinación zinc - dióxido de manganeso ). Una celda 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 de cloruro de amonio y dióxido de manganeso, actuando este último como despolarizante . En algunos diseños, el cloruro de amonio se reemplaza por cloruro de zinc .
Una batería de reserva se puede almacenar sin ensamblar (desactivada y sin suministrar energía) durante un período prolongado (quizás años). Cuando se necesita la batería, se ensambla (por ejemplo, agregando electrolito); Una vez montada, la batería está cargada y lista para funcionar. Por ejemplo, una batería para una espoleta de artillería electrónica podría activarse con el impacto de disparar un arma. 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 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 conducir a una carga más rápida y segura, baterías recargables de mayor duración para dispositivos móviles portátiles, coches eléctricos y acumuladores de energía estacionarios". [35] También se dice que la batería de estado sólido tiene "tres veces la densidad de energía", aumentando su vida útil en los vehículos eléctricos, por ejemplo. También debería ser más ecológicamente racional, ya que la tecnología utiliza materiales menos costosos y respetuosos con el planeta, como el sodio extraído del agua de mar. También tienen una vida mucho más larga. [36]
Sony ha desarrollado una batería biológica que genera electricidad a partir del azúcar de forma 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 prolonga 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-zinc (NiZn), hidruro metálico de níquel (NiMH) y de iones de litio (Li-ion). El Li-ion tiene, con diferencia, la mayor cuota del mercado de baterías recargables de pilas secas. NiMH ha reemplazado 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 desarrollos incluyen baterías con electrónica integrada 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 estado de carga. monitores y circuitos de protección de la batería que evitan daños por sobredescarga. La baja autodescarga (LSD) permite cargar las celdas secundarias antes del envío.
En el vuelo más largo y elevado con energía solar se utilizaron baterías de litio y azufre . [39]
Se fabrican baterías de todo tipo en calidad industrial y de consumo. Las baterías de grado 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 estén en uso, más resistencia a las fugas y, por ejemplo, capacidad para soportar las altas temperaturas y la humedad asociadas. con esterilización en autoclave médico. [40]
Las baterías de formato estándar se insertan en el portapilas del dispositivo que las utiliza. Cuando un dispositivo no utiliza baterías de formato estándar, generalmente se combinan en un paquete de baterías personalizado que contiene varias baterías, además de características como un sistema de administración de baterías y un aislador de baterías que garantizan que las baterías internas se carguen y descarguen de manera uniforme.
Las baterías primarias disponibles para los consumidores van desde pequeñas pilas de botón utilizadas para relojes eléctricos hasta la celda número 6 utilizada para circuitos de señales u otras aplicaciones de larga duración. Las células secundarias se fabrican en tamaños muy grandes; Las baterías muy grandes pueden alimentar un submarino o estabilizar una red eléctrica y ayudar a nivelar las cargas máximas.
En 2017 , Tesla[actualizar] construyó la batería más grande del mundo en Australia del Sur . Puede almacenar 129 MWh. [41] En 2013 se construyó una batería en la provincia de Hebei , China, que puede almacenar 36 MWh de electricidad, a un costo de 500 millones de dólares. [42] Otra batería grande, compuesta de celdas de Ni-Cd , estaba en Fairbanks, Alaska . Cubría 2.000 metros cuadrados (22.000 pies cuadrados), más grande que un campo de fútbol, y pesaba 1.300 toneladas. Fue fabricado por ABB para proporcionar energía de respaldo en caso de un apagón. La batería puede proporcionar 40 MW de potencia durante hasta 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 entregar 11 MW durante 25 minutos estabiliza la producción del parque eólico Auwahi en Hawaii. [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 dictadas 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 que incluyen la química interna, el consumo de corriente y la temperatura. A bajas temperaturas, una batería no puede entregar tanta energía. Como tal, en climas fríos, algunos propietarios de automóviles instalan calentadores de batería, que son pequeñas almohadillas eléctricas que mantienen caliente la batería del automóvil.
La capacidad de una batería es la cantidad de carga eléctrica que puede entregar al voltaje nominal. 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 se mide en unidades como amperios-hora (A·h). 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 constantemente durante 20 horas a 68 °F (20 °C), mientras se mantiene por encima de un voltaje terminal específico por celda. Por ejemplo, una batería 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 que se almacenan durante un período prolongado o que se descargan a una pequeña fracción de su capacidad pierden capacidad debido a la presencia de reacciones secundarias generalmente irreversibles que consumen portadores de carga sin producir corriente. Este fenómeno se conoce como autodescarga interna. Además, cuando se recargan las baterías, pueden ocurrir reacciones secundarias adicionales, lo que reduce 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 un ritmo bajo proporciona más capacidad de la batería que a un ritmo más alto. La instalación de baterías con diferentes clasificaciones A·h no afecta el funcionamiento del dispositivo (aunque puede afectar el intervalo de funcionamiento) clasificadas para un voltaje específico a menos que se excedan los límites de carga. Las cargas de alto consumo, como las cámaras digitales, pueden reducir la capacidad total, como ocurre con las baterías alcalinas. Por ejemplo, una batería con capacidad nominal de 2 A·h para una descarga de 10 o 20 horas no soportaría una corriente de 1 A durante dos horas completas, como implica 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 nominal en una hora. [51] Tiene las unidades h −1 . Debido a la pérdida de resistencia interna y a los procesos químicos dentro de las celdas, una batería rara vez ofrece la capacidad nominal en solo una hora. Normalmente, la capacidad máxima se encuentra en 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 la capacidad frente a las curvas de tasa C. La tasa C también se utiliza como clasificación en baterías para indicar la corriente máxima que una batería puede entregar de manera segura en un circuito. Los estándares para baterías recargables generalmente clasifican la capacidad y los ciclos de carga en 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 (1C), pero pueden tener un ciclo de vida limitado.
A partir de 2012 [update], fosfato de hierro y litio ( LiFePO
4) la tecnología de batería fue la de carga/descarga más rápida, descargándose completamente en 10 a 20 segundos. [52]
La duración de la batería (y su sinónimo duración de la batería) tiene dos significados para las baterías recargables, pero sólo uno para las no recargables. Para los recargables, puede significar el tiempo que un dispositivo puede funcionar con una batería completamente cargada o el número de ciclos de carga/descarga posibles antes de que las celdas dejen de funcionar satisfactoriamente. Para un no recargable, estas dos vidas son iguales ya que las células duran solo un ciclo por definición. El término vida útil se utiliza para describir cuánto tiempo una batería conservará su rendimiento entre su fabricación y su uso. La capacidad disponible de todas las baterías disminuye al disminuir la temperatura. A diferencia de la mayoría de las baterías actuales, la pila Zamboni , inventada en 1812, ofrece una vida útil muy larga sin necesidad de renovación ni recarga, aunque suministra corriente sólo en el rango de 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 de Zamboni. [ cita necesaria ]
Las baterías desechables suelen perder entre un 8 y un 20 % de su carga original al año cuando se almacenan a temperatura ambiente (entre 20 y 30 °C). [53] Esto se conoce como tasa de "autodescarga" y se debe a reacciones químicas "laterales" que no producen corriente y que ocurren dentro de la celda incluso cuando no se aplica carga. La tasa de reacciones secundarias se reduce en el caso de las baterías almacenadas a temperaturas más bajas, aunque algunas pueden dañarse por congelación. Las pilas recargables viejas se descargan más rápidamente que las pilas alcalinas desechables, especialmente las de níquel; una batería de níquel cadmio (NiCd) recién cargada pierde el 10% de su carga en las primeras 24 horas y, posteriormente, se descarga a un ritmo de aproximadamente el 10% por mes. Sin embargo, las baterías más nuevas de hidruro metálico de níquel (NiMH) de baja autodescarga y los diseños modernos de litio muestran una tasa de autodescarga más baja (pero aún mayor que la de 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 el número 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. [54] Las baterías NiMH más nuevas están listas para usarse cuando se compran y solo se descargan un 15% en un año. [55]
Se produce cierto deterioro en cada ciclo de carga-descarga. La degradación generalmente ocurre porque el electrolito se aleja de los electrodos o porque el material activo se desprende de los electrodos. Las baterías de NiMH de baja capacidad (1.700–2.000 mAh) se pueden cargar unas 1.000 veces, mientras que las baterías de NiMH de alta capacidad (por encima de 2.500 mAh) duran unos 500 ciclos. [56] Las baterías de NiCd tienden a tener una capacidad nominal de 1000 ciclos antes de que su resistencia interna aumente permanentemente más allá de los valores utilizables. La carga rápida aumenta los cambios de componentes, acortando la vida útil de la batería. [56] Si un cargador no puede detectar cuando la batería está completamente cargada, es probable que se sobrecargue y la dañe. [57]
Las pilas de NiCd, si se utilizan de forma repetitiva, pueden presentar una disminución de su capacidad denominada " efecto memoria ". [58] El efecto se puede evitar con prácticas simples. Las células de NiMH, aunque similares en química, sufren menos el efecto memoria. [59]
Las baterías recargables de plomo-ácido para automóviles deben soportar tensiones debido a vibraciones, golpes y rangos de temperatura. Debido a estas tensiones y a la sulfatación de sus placas de plomo, pocas baterías de automóvil duran más de seis años de uso regular. [60] Las baterías de arranque de automóviles ( SLI : arranque, iluminación, encendido ) tienen muchas placas delgadas para maximizar la corriente. En general, cuanto más gruesas sean las placas, mayor será su vida útil. Por lo general, se descargan sólo un poco antes de recargarse. Las baterías de plomo-ácido de "ciclo profundo", como las que se utilizan en los carritos de golf eléctricos, tienen placas mucho más gruesas para prolongar su longevidad. [61] El principal beneficio de la batería de plomo-ácido es su bajo costo; sus principales inconvenientes 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, [62] porque la resistencia interna provocará 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 de carga baja para evitar el tipo de daño que acortará la vida útil de la batería. [63]
La vida útil de las baterías se puede prolongar almacenándolas a baja temperatura, como en un refrigerador o congelador , lo que retarda las reacciones secundarias. Este almacenamiento puede prolongar la vida útil de las pilas alcalinas en aproximadamente un 5%; Las baterías recargables pueden mantener su carga por mucho más tiempo, según el tipo. [64] Para alcanzar su voltaje máximo, las baterías deben regresarse a temperatura ambiente; descargar una batería alcalina a 250 mA a 0 °C es sólo la mitad de eficiente que a 20 °C. [33] Los fabricantes de pilas alcalinas como Duracell no recomiendan refrigerar las pilas. [32]
La explosión de una 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 gas 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 un aumento de presión y una eventual explosión de la batería. la caja de la batería. En casos extremos, los productos químicos de la batería pueden salir violentamente de la carcasa y provocar 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 provocar un cortocircuito, provocando explosiones e incendios". [65] [66] Las baterías de automóviles tienen más probabilidades de explotar cuando un cortocircuito genera corrientes muy grandes. Estas 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, la alta corriente puede provocar la liberación rápida de grandes volúmenes de hidrógeno, que pueden encenderse explosivamente con una chispa cercana, por ejemplo, al desconectar un cable de 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 luego se utilice la batería sobrecargada.
Desechar una batería mediante incineración puede provocar una explosión a medida que se acumula vapor dentro de la caja sellada.
Muchos productos químicos de las baterías son corrosivos, venenosos o ambos. Si se produce una fuga , ya sea espontáneamente o por accidente, los productos 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 baterías se descargan demasiado, los reactivos pueden salir a través del cartón y plástico que forman el resto del recipiente. La fuga química activa puede dañar o desactivar el equipo que alimentan las baterías. Por esta razón, muchos fabricantes de dispositivos electrónicos recomiendan quitar las baterías de los dispositivos que no se van a utilizar durante períodos prolongados de tiempo.
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. [67] Las baterías son una forma de desechos electrónicos (e-waste). Los servicios de reciclaje de desechos electrónicos recuperan sustancias tóxicas, que luego pueden usarse para baterías nuevas. [68] De los casi tres mil millones de baterías compradas anualmente en los Estados Unidos, alrededor de 179.000 toneladas terminan en vertederos en todo el país. [69]
Las baterías pueden ser dañinas o fatales si se ingieren . [70] Las pilas de botón pequeñas pueden ser tragadas, especialmente por los niños pequeños. Mientras está en el tracto digestivo, la descarga eléctrica de la batería puede provocar daños en los tejidos; [71] En ocasiones, estos daños son graves y pueden provocar la muerte. Las baterías de disco ingeridas no suelen causar problemas a menos que queden alojadas 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 atraviesan con éxito 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 pilas de menos de 21-23 mm. La necrosis por licuefacción puede ocurrir porque la corriente producida por la batería (generalmente en el ánodo) genera hidróxido de sodio. La perforación se produjo tan rápidamente como 6 horas después de la ingestión. [72]
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 las baterías recargables y exigió que las baterías recargables fueran fácilmente extraíbles. [73] California y la ciudad de Nueva York prohíben la eliminación de baterías recargables en los residuos sólidos. [74] [75] La industria de las baterías recargables opera programas de reciclaje a nivel nacional en los Estados Unidos y Canadá, con puntos de entrega en los minoristas locales. [76]
La Directiva sobre baterías de la Unión Europea tiene requisitos similares, además de exigir un mayor reciclaje de baterías y promover la investigación sobre métodos mejorados de reciclaje de baterías . [77] De conformidad con esta directiva, todas las baterías que se vendan dentro de la UE deben estar marcadas con el "símbolo de colección" (un contenedor con ruedas tachado). 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. [78]
En respuesta a los accidentes y fallas reportados, ocasionalmente ignición o explosión, los retiros del mercado de dispositivos que usan baterías de iones de litio se han vuelto más comunes en los últimos años. [79] [80]
El 9 de diciembre de 2022, el Parlamento de la UE 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 de humedad) de modo que los consumidores puedan quitar y reemplazar las baterías fácilmente. [81] [82]
Pero ni siquiera el trabajo de John Goodenough cambia mi pronóstico de que los vehículos eléctricos tardarán al menos 50 años en alcanzar entre el 70 y el 80 por ciento del mercado mundial de vehículos.
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