Una batería de hidruro metálico de níquel ( NiMH o Ni–MH ) es un tipo de batería recargable . La reacción química en el electrodo positivo es similar a la de la celda de níquel-cadmio (NiCd), y ambas usan hidróxido de óxido de níquel (NiOOH). Sin embargo, los electrodos negativos utilizan una aleación que absorbe hidrógeno en lugar de cadmio . Las baterías de NiMH pueden tener de dos a tres veces la capacidad de las baterías de NiCd del mismo tamaño, con una densidad de energía significativamente mayor , aunque sólo aproximadamente la mitad que las baterías de iones de litio . [6]
Por lo general, se utilizan como sustitutos de las baterías alcalinas no recargables de forma similar , ya que presentan un voltaje de celda ligeramente más bajo pero generalmente compatible y son menos propensas a sufrir fugas . [7] [8]
El trabajo con baterías de NiMH comenzó en el Centro de Investigación Battelle de Ginebra tras la invención de la tecnología en 1967. Se basaba en aleaciones sinterizadas de Ti 2 Ni+TiNi+x y electrodos de NiOOH. El desarrollo fue patrocinado durante casi dos décadas por Daimler-Benz y por Volkswagen AG dentro de Deutsche Automobilgesellschaft, ahora una subsidiaria de Daimler AG . La energía específica de las baterías alcanzó los 50 W·h/kg (180 kJ/kg), la potencia específica hasta 1000 W/kg y una vida útil de 500 ciclos de carga (al 100% de profundidad de descarga ). Se presentaron solicitudes de patente en países europeos (prioridad: Suiza), Estados Unidos y Japón. Las patentes transferidas a Daimler-Benz. [9]
El interés creció en la década de 1970 con la comercialización de la batería de níquel-hidrógeno para aplicaciones satelitales. La tecnología de hidruros prometía una forma alternativa y menos voluminosa de almacenar hidrógeno. Una investigación llevada a cabo por los Laboratorios Philips y el CNRS de Francia desarrolló nuevas aleaciones híbridas de alta energía que incorporan metales de tierras raras para el electrodo negativo. Sin embargo, estos sufrían inestabilidad de la aleación en electrolitos alcalinos y, en consecuencia, un ciclo de vida insuficiente. En 1987, Willems y Buschow demostraron una batería exitosa basada en este enfoque (usando una mezcla de La 0,8 Nd 0,2 Ni 2,5 Co 2,4 Si 0,1 ), que mantenía el 84% de su capacidad de carga después de 4000 ciclos de carga-descarga. Pronto se desarrollaron aleaciones más económicamente viables que utilizaban mischmetal en lugar de lantano . Las modernas pilas de NiMH se basaron en este diseño. [10] Las primeras celdas de NiMH de consumo estuvieron disponibles comercialmente en 1989. [11]
En 1998, Stanford Ovshinsky de Ovonic Battery Co. , que ha estado trabajando en baterías MH-NiOOH desde mediados de 1980, [12] mejoró la estructura y composición de la aleación Ti-Ni y patentó sus innovaciones. [13]
En 2008, más de dos millones de coches híbridos en todo el mundo se fabricaron con baterías de NiMH. [14]
En la Unión Europea, debido a su Directiva sobre baterías , las baterías de hidruro metálico de níquel reemplazaron a las baterías de Ni-Cd para uso portátil de los consumidores. [15]
Alrededor del 22% de las baterías recargables portátiles vendidas en Japón en 2010 eran de NiMH. [16] En Suiza, en 2009, la estadística equivalente era aproximadamente del 60%. [17] Este porcentaje ha disminuido con el tiempo debido al aumento en la fabricación de baterías de iones de litio : en 2000, casi la mitad de todas las baterías recargables portátiles vendidas en Japón eran de NiMH. [dieciséis]
En 2015, BASF produjo una microestructura modificada que ayudó a que las baterías de NiMH fueran más duraderas, lo que a su vez permitió cambios en el diseño de la celda que ahorraron un peso considerable, permitiendo que la energía específica alcanzara los 140 vatios-hora por kilogramo. [18]
La reacción del electrodo negativo que ocurre en una celda de NiMH es
En el electrodo positivo se forma oxihidróxido de níquel, NiO(OH):
Las reacciones ocurren de izquierda a derecha durante la carga y al revés durante la descarga. El metal M en el electrodo negativo de una celda de NiMH es un compuesto intermetálico . Se han desarrollado muchos compuestos diferentes para esta aplicación, pero los que se utilizan actualmente se dividen en dos clases. El más común es AB 5 , donde A es una mezcla de tierras raras de lantano , cerio , neodimio , praseodimio y B es níquel , cobalto , manganeso o aluminio . Algunas celdas utilizan materiales de electrodos negativos de mayor capacidad basados en compuestos AB 2 , donde A es titanio o vanadio , y B es circonio o níquel, modificado con cromo , cobalto, hierro o manganeso . [19]
Las pilas de NiMH tienen un electrolito alcalino , normalmente hidróxido de potasio . El electrodo positivo es hidróxido de níquel y el electrodo negativo es hidrógeno en forma de hidruro metálico intersticial. [20] Para la separación se utilizan telas no tejidas de poliolefina hidrófilas . [21]
Las baterías NiMH de diseño bipolar (baterías bipolares) se están desarrollando porque ofrecen algunas ventajas para aplicaciones como sistemas de almacenamiento para vehículos eléctricos. El separador de gel de membrana de polímero sólido podría ser útil para este tipo de aplicaciones en diseño bipolar. En otras palabras, este diseño puede ayudar a evitar cortocircuitos en sistemas de electrolitos líquidos. [22]
Durante la carga rápida, es recomendable cargar las celdas de NiMH con un cargador de baterías inteligente para evitar la sobrecarga , que puede dañar las celdas. [23]
El más sencillo de los métodos de carga seguros es con una corriente baja fija, con o sin temporizador. La mayoría de los fabricantes afirman que la sobrecarga es segura con corrientes muy bajas, por debajo de 0,1 C ( C /10) (donde C es la corriente equivalente a la capacidad de la batería dividida por una hora). [24] El manual de carga de NiMH de Panasonic advierte que la sobrecarga durante un tiempo suficiente puede dañar la batería y sugiere limitar el tiempo total de carga a 10 a 20 horas. [23]
Duracell sugiere además que se puede utilizar una carga lenta a C /300 para baterías que deben mantenerse en estado de carga completa. [24] Algunos cargadores hacen esto después del ciclo de carga, para compensar la autodescarga natural. Energizer [20] sugiere un enfoque similar, que indica que la autocatálisis puede recombinar el gas formado en los electrodos para tasas de carga de hasta C/10. Esto conduce al calentamiento de las células. La empresa recomienda C /30 o C /40 para aplicaciones indefinidas donde es importante una larga vida útil. Este es el enfoque adoptado en las aplicaciones de iluminación de emergencia, donde el diseño sigue siendo esencialmente el mismo que en las unidades de NiCd más antiguas, excepto por un aumento en el valor de la resistencia de carga lenta. [ cita necesaria ]
El manual de Panasonic recomienda que las baterías de NiMH en espera se carguen mediante un enfoque de ciclo de trabajo más bajo , donde se utiliza un pulso de corriente más alta cada vez que el voltaje de la batería cae por debajo de 1,3 V. Esto puede prolongar la vida útil de la batería y utilizar menos energía. [23]
Para evitar daños a las celdas, los cargadores rápidos deben finalizar su ciclo de carga antes de que se produzca una sobrecarga. Un método consiste en controlar el cambio de voltaje con el tiempo. Cuando la batería está completamente cargada, el voltaje en sus terminales cae ligeramente. El cargador puede detectar esto y dejar de cargar. Este método se utiliza a menudo con celdas de níquel-cadmio, que muestran una gran caída de voltaje con carga completa. Sin embargo, la caída de voltaje es mucho menos pronunciada para NiMH y puede ser inexistente a velocidades de carga bajas, lo que puede hacer que el método no sea confiable. [24]
Otra opción es monitorear el cambio de voltaje con respecto al tiempo y detenerlo cuando éste llegue a cero, pero esto corre el riesgo de cortes prematuros. [24] Con este método, se puede utilizar una tasa de carga mucho más alta que con una carga lenta, hasta 1 C. A esta velocidad de carga, Panasonic recomienda finalizar la carga cuando el voltaje caiga entre 5 y 10 mV por celda desde el voltaje máximo. [23] Dado que este método mide el voltaje a través de la batería, se utiliza un circuito de carga de corriente constante (en lugar de un voltaje constante).
El método de cambio de temperatura es similar en principio al método Δ V. Debido a que el voltaje de carga es casi constante, la carga de corriente constante entrega energía a una velocidad casi constante. Cuando la celda no está completamente cargada, la mayor parte de esta energía se convierte en energía química. Sin embargo, cuando la celda alcanza la carga completa, la mayor parte de la energía de carga se convierte en calor. Esto aumenta la tasa de cambio de temperatura de la batería, que puede ser detectada por un sensor como un termistor . Tanto Panasonic como Duracell sugieren una tasa máxima de aumento de temperatura de 1 °C por minuto. El uso de un sensor de temperatura permite un corte de temperatura absoluto, que Duracell sugiere a 60 °C. [24] Con los métodos de carga Δ T y Δ V , ambos fabricantes recomiendan un período adicional de carga lenta después de la carga rápida inicial. [ cita necesaria ]
Un fusible reiniciable en serie con la celda, particularmente del tipo de tira bimetálica , aumenta la seguridad. Este fusible se abre si la corriente o la temperatura aumentan demasiado. [24]
Las celdas modernas de NiMH contienen catalizadores para manejar los gases producidos por la sobrecarga ( ). Sin embargo, esto sólo funciona con corrientes de sobrecarga de hasta 0,1 C (es decir, capacidad nominal dividida por diez horas). Esta reacción hace que las baterías se calienten, finalizando el proceso de carga. [24]
Un método para una carga muy rápida llamado control de carga en la celda implica un interruptor de presión interno en la celda, que desconecta la corriente de carga en caso de sobrepresión.
Un riesgo inherente a la química del NiMH es que la sobrecarga provoca la formación de gas hidrógeno, lo que podría romper la celda. Por tanto, las celdas cuentan con un respiradero para liberar el gas en caso de sobrecarga grave. [25]
Las baterías de NiMH están fabricadas con materiales respetuosos con el medio ambiente. [26] Las baterías contienen sólo sustancias levemente tóxicas y son reciclables. [20]
Puede ocurrir una depresión de voltaje (a menudo atribuida erróneamente al efecto memoria ) debido a descargas parciales repetidas, pero es reversible con unos pocos ciclos completos de descarga/carga. [27]
Una celda completamente cargada suministra un promedio de 1,25 V/celda durante la descarga, disminuyendo a aproximadamente 1,0-1,1 V/celda (una descarga adicional puede causar daños permanentes en el caso de paquetes de varias celdas, debido a la inversión de polaridad de la celda más débil). Bajo una carga ligera (0,5 amperios), el voltaje de arranque de una pila AA NiMH recién cargada y en buenas condiciones es de aproximadamente 1,4 voltios. [28]
La descarga completa de paquetes de varias celdas puede provocar polaridad inversa en una o más celdas, lo que puede dañarlas permanentemente. Esta situación puede ocurrir en la disposición común de cuatro celdas AA en serie, donde una celda se descarga completamente antes que las demás debido a pequeñas diferencias en la capacidad entre las celdas. Cuando esto sucede, las celdas buenas comienzan a llevar a la celda descargada a la polaridad inversa (es decir, ánodo positivo y cátodo negativo). Algunas cámaras, receptores GPS y PDA detectan el voltaje de fin de descarga seguro de las celdas en serie y realizan un apagado automático, pero dispositivos como linternas y algunos juguetes no lo hacen.
El daño irreversible por inversión de polaridad es un peligro particular, incluso cuando se emplea un corte de umbral de voltaje bajo, cuando las celdas varían en temperatura. Esto se debe a que la capacidad disminuye significativamente a medida que se enfrían las celdas. Esto da como resultado un voltaje más bajo bajo carga de las celdas más frías. [29]
Históricamente, las pilas de NiMH han tenido una tasa de autodescarga algo mayor (equivalente a una fuga interna) que las pilas de NiCd. La tasa de autodescarga varía mucho con la temperatura, donde una temperatura de almacenamiento más baja conduce a una descarga más lenta y una mayor duración de la batería. La autodescarga es del 5 al 20 % el primer día y se estabiliza alrededor del 0,5 al 4 % por día a temperatura ambiente . [30] [31] [32] [33] [34] Pero a 45 °C (113 °F) es aproximadamente tres veces mayor. [24]
La batería de níquel-hidruro metálico de baja autodescarga ( LSD NiMH ) tiene una tasa de autodescarga significativamente menor. La innovación fue introducida en 2005 por Sanyo , con la marca Eneloop . [35] Al utilizar mejoras en el separador de electrodos, el electrodo positivo y otros componentes, los fabricantes afirman que las celdas retienen entre el 70% y el 85% de su capacidad cuando se almacenan durante un año a 20 °C (68 °F), en comparación con aproximadamente la mitad en condiciones normales. Baterías NiMH. Por lo demás, son similares a las baterías de NiMH estándar y se pueden cargar en cargadores de NiMH estándar. Estas pilas se comercializan como recargables "híbridas", "listas para usar" o "precargadas". La retención de carga depende en gran parte de la resistencia a las fugas de la batería (cuanto mayor, mejor) y de su tamaño físico y capacidad de carga.
Los separadores mantienen separados los dos electrodos para retardar la descarga eléctrica y al mismo tiempo permiten el transporte de portadores de carga iónica que cierran el circuito durante el paso de la corriente . [36] Los separadores de alta calidad son fundamentales para el rendimiento de la batería.
La tasa de autodescarga depende del espesor del separador; Los separadores más gruesos reducen la autodescarga, pero también reducen la capacidad, ya que dejan menos espacio para los componentes activos, y los separadores delgados provocan una mayor autodescarga. Algunas baterías pueden haber superado este inconveniente mediante el uso de separadores delgados fabricados con mayor precisión y un separador de poliolefina sulfonada, una mejora con respecto a la poliolefina hidrófila basada en alcohol etilenvinílico . [37]
Las celdas de baja autodescarga tienen una capacidad algo menor que las celdas de NiMH equivalentes debido al mayor volumen del separador. Las pilas AA de baja autodescarga y mayor capacidad tienen una capacidad de 2500 mAh, en comparación con los 2700 mAh de las pilas AA NiMH de alta capacidad. [38]
Los métodos comunes para mejorar la autodescarga incluyen: uso de un separador sulfonado (que causa la eliminación de compuestos que contienen N), uso de un separador de PP injertado con ácido acrílico (que causa una reducción en la formación de desechos de Al y Mn en el separador), eliminación de Co y Mn en la aleación A 2 B 7 MH (que causa una reducción en la formación de desechos en el separador), aumento de la cantidad de electrolito (que causa una reducción en la difusión de hidrógeno en el electrolito), eliminación de componentes que contienen Cu (que causa una reducción en los microcortos ), recubrimiento de PTFE en el electrodo positivo (que provoca la supresión de la reacción entre NiOOH y H 2 ), inmersión en solución de CMC (que provoca la supresión del desprendimiento de oxígeno), microencapsulación de Cu en la aleación MH (que provoca una disminución del H 2 liberado de la aleación MH), Revestimiento de aleación Ni-B sobre aleación MH (que provoca la formación de una capa protectora), tratamiento alcalino del electrodo negativo (que provoca la reducción de la lixiviación de Mn y Al), adición de LiOH y NaOH al electrolito (que provoca una reducción de la capacidad de corrosión del electrolito) y adición de Al 2 (SO 4 ) 3 al electrolito (lo que provoca una reducción en la corrosión de la aleación MH). La mayoría de estas mejoras tienen un efecto nulo o insignificante sobre los costos; algunos aumentan el costo modestamente. [39]
Las celdas de NiMH se usan a menudo en cámaras digitales y otros dispositivos de alto consumo, donde durante el uso con una sola carga superan a las baterías primarias (como las alcalinas).
Las celdas de NiMH son ventajosas para aplicaciones de alto consumo de corriente, en gran parte debido a su menor resistencia interna. Las baterías alcalinas típicas de tamaño AA, que ofrecen aproximadamente 2,6 Ah de capacidad con baja demanda de corriente (25 mA), proporcionan sólo 1,3 Ah de capacidad con una carga de 500 mA. [40] Las cámaras digitales con pantallas LCD y linternas pueden consumir más de 1 A, agotándolos rápidamente. Las células de NiMH pueden ofrecer estos niveles actuales sin una pérdida similar de capacidad. [20]
Es posible que los dispositivos que fueron diseñados para funcionar con celdas de química alcalina primaria (o zinc-carbono/cloruro) no funcionen con celdas de NiMH. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos compensan la caída de voltaje de una batería alcalina cuando se descarga hasta aproximadamente 1 voltio. La baja resistencia interna permite que las celdas de NiMH entreguen un voltaje casi constante hasta que se descarguen casi por completo. Por lo tanto, los indicadores de nivel de batería diseñados para leer celdas alcalinas exageran la carga restante cuando se usan con celdas de NiMH, ya que el voltaje de las celdas alcalinas disminuye constantemente durante la mayor parte del ciclo de descarga.
Las baterías de iones de litio tienen una energía específica mayor que las baterías de hidruro metálico de níquel, [41] pero son significativamente más caras. [42] También producen un voltaje más alto (3,2 a 3,7 V nominal) y, por lo tanto, no son un reemplazo directo para las baterías alcalinas sin circuitos para reducir el voltaje.
En 2005 [actualizar], las baterías de hidruro metálico de níquel constituían el tres por ciento del mercado de baterías. [26]
Las baterías de NiMH han reemplazado al NiCd en muchas funciones, en particular las pequeñas baterías recargables. Las baterías de NiMH suelen estar disponibles en forma de pilas AA ( del tamaño de una linterna ). Estos tienen capacidades de carga nominal ( C ) de 1,1 a 2,8 Ah a 1,2 V, medidas a la velocidad que descarga la celda en 5 horas. La capacidad de descarga útil es una función decreciente de la tasa de descarga, pero hasta una tasa de alrededor de 1× C (descarga completa en 1 hora), no difiere significativamente de la capacidad nominal. [27] Las baterías de NiMH funcionan nominalmente a 1,2 V por celda, algo menos que las celdas convencionales de 1,5 V, pero pueden operar muchos dispositivos diseñados para ese voltaje .
Las baterías de NiMH se utilizaban con frecuencia en vehículos eléctricos e híbridos eléctricos de generaciones anteriores; A partir de 2020, han sido reemplazadas casi por completo por baterías de iones de litio en vehículos híbridos enchufables y totalmente eléctricos, pero siguen utilizándose en algunos vehículos híbridos (Toyota Highlander 2020, por ejemplo). [43] Los vehículos enchufables totalmente eléctricos anteriores incluían el General Motors EV1 , el Toyota RAV4 EV de primera generación , el Honda EV Plus , el Ford Ranger EV y el scooter Vectrix . Todos los vehículos híbridos de primera generación usaban baterías NIMH, sobre todo el Toyota Prius y el Honda Insight , así como modelos posteriores, incluidos el Ford Escape Hybrid , el Chevrolet Malibu Hybrid y el Honda Civic Hybrid, que también las usan.
Stanford R. Ovshinsky inventó y patentó una mejora popular de la batería de NiMH y fundó Ovonic Battery Company en 1982. General Motors compró la patente de Ovonics en 1994. A finales de la década de 1990, las baterías de NiMH se utilizaban con éxito en muchos vehículos totalmente eléctricos, como la minivan General Motors EV1 y Dodge Caravan EPIC .
Esta generación de coches eléctricos, aunque exitosa, fue retirada abruptamente del mercado. [ cita necesaria ]
En octubre de 2000, la patente fue vendida a Texaco , y una semana después Texaco fue adquirida por Chevron . La filial Cobasys de Chevron proporciona estas baterías sólo a grandes pedidos de OEM. General Motors cerró la producción del EV1 , citando la falta de disponibilidad de baterías como el principal obstáculo. El control de Cobasys sobre las baterías de NiMH creó un gravamen de patentes para las baterías de NiMH de automóviles de gran tamaño. [44] [45] [46] [47] [48]
![{\displaystyle {\ce {2H2{}+O2->[{\text{catalizador}}]2H2O}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1078c1af494827190c93ecad4a1deba0100a9ace)
{{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )Las baterías de NiMH se autodescargan hasta un 20% en las primeras 24 horas después de la carga y luego hasta un 15% por mes. La autodescarga depende en gran medida de la temperatura. Las baterías de NiMH se autodescargan aproximadamente tres veces más rápido a 40 °C que a 20 °C. La edad también afecta la autodescarga. Los paquetes de baterías más antiguos se descargan automáticamente más rápido que los nuevos.
Una batería de NiMH puede perder hasta un 2 % de su carga por día si permanece en el estante.
Las baterías de NiMh tienden a autodescargarse entre un 3% y un 4% de su capacidad por día.
Níquel metal hidruro (NiMh) Aproximadamente 1 % por día si no se utiliza.
18. ¿Cuál es la tasa de autodescarga de las baterías de NiMH? En general, la tasa de autodescarga oscila entre el 15% y el 20% mensual a temperatura ambiente.