Una batería recargable , batería de almacenamiento o celda secundaria (formalmente un tipo de acumulador de energía ), es un tipo de batería eléctrica que se puede cargar, descargar en una carga y recargar muchas veces, a diferencia de una batería desechable o primaria , que se suministra completamente cargada y se desecha después de su uso. Está compuesta por una o más celdas electroquímicas . El término "acumulador" se utiliza ya que acumula y almacena energía a través de una reacción electroquímica reversible . Las baterías recargables se producen en muchas formas y tamaños diferentes, que van desde pilas de botón hasta sistemas de megavatios conectados para estabilizar una red de distribución eléctrica . Se utilizan varias combinaciones diferentes de materiales de electrodos y electrolitos , incluidos plomo-ácido , zinc-aire , níquel-cadmio (NiCd), níquel-hidruro metálico (NiMH), ion de litio (Li-ion), fosfato de hierro y litio (LiFePO4) y polímero de ion de litio (polímero de ion de litio).
Las baterías recargables suelen costar inicialmente más que las desechables, pero tienen un costo total de propiedad y un impacto ambiental mucho menores , ya que se pueden recargar de manera económica muchas veces antes de que sea necesario reemplazarlas. Algunos tipos de baterías recargables están disponibles en los mismos tamaños y voltajes que las desechables, y se pueden usar indistintamente con ellas. Se están invirtiendo miles de millones de dólares en investigación en todo el mundo para mejorar las baterías, ya que la industria se centra en construir mejores baterías. [1] [2] [3]
Los dispositivos que utilizan baterías recargables incluyen arrancadores de automóviles , dispositivos portátiles de consumo, vehículos ligeros (como sillas de ruedas motorizadas , carros de golf , bicicletas eléctricas y carretillas elevadoras eléctricas ), vehículos de carretera (automóviles, furgonetas, camiones, motocicletas), trenes, aviones pequeños, herramientas, sistemas de alimentación ininterrumpida y centrales eléctricas de almacenamiento de baterías . Las aplicaciones emergentes en vehículos híbridos de combustión interna y batería y eléctricos impulsan la tecnología para reducir el costo, el peso y el tamaño, y aumentar la vida útil. [4]
Las baterías recargables más antiguas se autodescargan con relativa rapidez [ vago ] y requieren carga antes del primer uso; algunas baterías NiMH más nuevas con baja autodescarga mantienen su carga durante muchos meses y normalmente se venden cargadas de fábrica a aproximadamente el 70% de su capacidad nominal.
Las centrales eléctricas con baterías de almacenamiento utilizan baterías recargables para nivelar la carga (almacenar energía eléctrica en momentos de baja demanda para utilizarla durante los períodos pico) y para usos de energía renovable (como almacenar energía generada a partir de paneles fotovoltaicos durante el día para utilizarla durante la noche). La nivelación de carga reduce la potencia máxima que una planta debe ser capaz de generar, lo que reduce el costo de capital y la necesidad de plantas eléctricas que funcionan durante los picos de demanda .
Según un informe de Research and Markets, los analistas pronostican que el mercado mundial de baterías recargables crecerá a una CAGR del 8,32 % durante el período 2018-2022. [5]
Las baterías recargables pequeñas pueden alimentar dispositivos electrónicos portátiles , herramientas eléctricas, electrodomésticos, etc. Las baterías de alta potencia alimentan vehículos eléctricos , desde scooters hasta locomotoras y barcos . Se utilizan en la generación de electricidad distribuida y en sistemas de energía autónomos .
Durante la carga, el material activo positivo se oxida , liberando electrones , y el material negativo se reduce , absorbiendo electrones. Estos electrones constituyen el flujo de corriente en el circuito externo . El electrolito puede servir como un simple amortiguador para el flujo interno de iones entre los electrodos , como en las celdas de iones de litio y de níquel-cadmio , o puede ser un participante activo en la reacción electroquímica , como en las celdas de plomo-ácido .
La energía que se utiliza para cargar las baterías recargables suele proceder de un cargador de baterías que utiliza la red eléctrica de CA , aunque algunos están equipados para utilizar la toma de corriente de CC de 12 voltios de un vehículo. El voltaje de la fuente debe ser superior al de la batería para forzar el flujo de corriente hacia ella, pero no demasiado alto o la batería podría dañarse.
Los cargadores tardan entre unos minutos y varias horas en cargar una batería. Los cargadores lentos "tontos" sin capacidad de detección de voltaje o temperatura cargarán a una velocidad baja, y normalmente tardarán 14 horas o más en alcanzar una carga completa. Los cargadores rápidos suelen poder cargar las celdas en dos a cinco horas, según el modelo, y los más rápidos tardan tan solo quince minutos. Los cargadores rápidos deben tener múltiples formas de detectar cuándo una celda alcanza la carga completa (cambio en el voltaje de la terminal, temperatura, etc.) para detener la carga antes de que se produzca una sobrecarga o un sobrecalentamiento perjudiciales. Los cargadores más rápidos suelen incorporar ventiladores de refrigeración para evitar que las celdas se sobrecalienten. Los paquetes de baterías diseñados para carga rápida pueden incluir un sensor de temperatura que el cargador utiliza para proteger el paquete; el sensor tendrá uno o más contactos eléctricos adicionales.
Las distintas composiciones químicas de las baterías requieren distintos esquemas de carga. Por ejemplo, algunos tipos de baterías se pueden recargar de forma segura desde una fuente de voltaje constante. Otros tipos necesitan cargarse con una fuente de corriente regulada que disminuye a medida que la batería alcanza el voltaje de carga completa. Cargar una batería de forma incorrecta puede dañarla; en casos extremos, las baterías pueden sobrecalentarse, incendiarse o liberar su contenido de forma explosiva.
Las velocidades de carga y descarga de las baterías se suelen analizar haciendo referencia a una velocidad de corriente "C". La velocidad C es la que teóricamente cargaría o descargaría por completo la batería en una hora. Por ejemplo, la carga lenta se puede realizar a C/20 (o una velocidad de "20 horas"), mientras que la carga y descarga típicas pueden ocurrir a C/2 (dos horas para la capacidad máxima). La capacidad disponible de las celdas electroquímicas varía según la velocidad de descarga. Se pierde algo de energía en la resistencia interna de los componentes de la celda (placas, electrolito, interconexiones) y la velocidad de descarga está limitada por la velocidad a la que se pueden mover los productos químicos en la celda. Para las celdas de plomo-ácido, la relación entre el tiempo y la velocidad de descarga se describe mediante la ley de Peukert ; una celda de plomo-ácido que ya no puede mantener un voltaje terminal utilizable a una corriente alta aún puede tener capacidad utilizable, si se descarga a una velocidad mucho menor. Las hojas de datos de las celdas recargables a menudo enumeran la capacidad de descarga en 8 horas o 20 horas u otro tiempo establecido; Las celdas para sistemas de suministro de energía ininterrumpida pueden tener una capacidad nominal de descarga de 15 minutos.
El voltaje terminal de la batería no es constante durante la carga y la descarga. Algunos tipos tienen un voltaje relativamente constante durante la descarga durante gran parte de su capacidad. Las pilas alcalinas y de zinc-carbono no recargables producen 1,5 V cuando son nuevas, pero este voltaje disminuye con el uso. La mayoría de las pilas AA y AAA de NiMH tienen una capacidad nominal de 1,2 V, pero tienen una curva de descarga más plana que las alcalinas y, por lo general, se pueden utilizar en equipos diseñados para utilizar pilas alcalinas .
Las notas técnicas de los fabricantes de baterías suelen hacer referencia al voltaje por celda (VPC) de las celdas individuales que componen la batería. Por ejemplo, para cargar una batería de plomo-ácido de 12 V (que contiene 6 celdas de 2 V cada una) a 2,3 VPC se requiere un voltaje de 13,8 V en los terminales de la batería.
Someter una celda descargada a una corriente en la dirección que tiende a descargarla aún más hasta el punto en que los terminales positivo y negativo cambian la polaridad provoca una condición llamadaInversión de la celda . Generalmente, hacer pasar corriente a través de una celda descargada de esta manera provoca que se produzcan reacciones químicas indeseables e irreversibles, lo que provoca un daño permanente a la celda. La inversión de la celda puede ocurrir en diversas circunstancias, siendo las dos más comunes:
En este último caso, el problema se produce porque las distintas celdas de una batería tienen capacidades ligeramente diferentes. Cuando una celda alcanza el nivel de descarga antes que el resto, las celdas restantes forzarán la corriente a través de la celda descargada.
Muchos dispositivos que funcionan con baterías tienen un corte de bajo voltaje que evita que se produzcan descargas profundas que podrían provocar la inversión de la celda. Una batería inteligente tiene un circuito de monitoreo de voltaje incorporado.
La inversión de la polaridad de una celda puede ocurrir en una celda débilmente cargada incluso antes de que esté completamente descargada. Si la corriente de drenaje de la batería es lo suficientemente alta, la resistencia interna de la celda puede crear una caída de voltaje resistivo que es mayor que la fem directa de la celda . Esto da como resultado la inversión de la polaridad de la celda mientras fluye la corriente. [6] [7] Cuanto mayor sea la tasa de descarga requerida de una batería, mejor deben coincidir las celdas, tanto en el tipo de celda como en el estado de carga, para reducir las posibilidades de inversión de la celda.
En algunas situaciones, como cuando se reparan baterías de NiCd que se han sobrecargado previamente, [8] puede ser conveniente descargar completamente una batería. Para evitar daños por el efecto de inversión de celdas, es necesario acceder a cada celda por separado: cada celda se descarga individualmente conectando una pinza de carga a través de los terminales de cada celda, evitando así la inversión de celdas.
Si una batería de varias celdas se descarga por completo, a menudo se dañará debido al efecto de inversión de celdas mencionado anteriormente. Sin embargo, es posible descargar por completo una batería sin provocar la inversión de celdas, ya sea descargando cada celda por separado o permitiendo que la fuga interna de cada celda disipe su carga con el tiempo.
Sin embargo, incluso si una celda se descarga por completo sin revertir el proceso, con el tiempo puede sufrir daños simplemente por permanecer en ese estado. Un ejemplo de esto es la sulfatación que se produce en las baterías de plomo-ácido que se dejan almacenadas durante largos períodos. Por este motivo, a menudo se recomienda cargar una batería que se va a almacenar y mantener su nivel de carga recargándola periódicamente. Dado que también pueden producirse daños si la batería se sobrecarga, el nivel óptimo de carga durante el almacenamiento suele rondar entre el 30 % y el 70 %.
La profundidad de descarga (DOD) normalmente se expresa como un porcentaje de la capacidad nominal en amperios-hora; 0% DOD significa que no hay descarga. Como la capacidad utilizable de un sistema de batería depende de la tasa de descarga y del voltaje permitido al final de la descarga, la profundidad de descarga debe ser calificada para mostrar la forma en que se medirá. Debido a las variaciones durante la fabricación y el envejecimiento, la DOD para una descarga completa puede cambiar con el tiempo o el número de ciclos de carga . Generalmente, un sistema de batería recargable tolerará más ciclos de carga/descarga si la DOD es menor en cada ciclo. [9] Las baterías de litio pueden descargarse hasta aproximadamente el 80 al 90% de su capacidad nominal. Las baterías de plomo-ácido pueden descargarse hasta aproximadamente el 50-60%. Mientras que las baterías de flujo pueden descargarse al 100%. [10]
Si las baterías se utilizan repetidamente, incluso sin maltrato, pierden capacidad a medida que aumenta el número de ciclos de carga, hasta que finalmente se considera que han llegado al final de su vida útil. Los diferentes sistemas de baterías tienen diferentes mecanismos de desgaste. Por ejemplo, en las baterías de plomo-ácido, no todo el material activo se restaura a las placas en cada ciclo de carga/descarga; con el tiempo, se pierde suficiente material como para que se reduzca la capacidad de la batería. En los tipos de iones de litio, especialmente en descargas profundas, puede formarse algo de metal de litio reactivo durante la carga, que ya no está disponible para participar en el siguiente ciclo de descarga. Las baterías selladas pueden perder humedad de su electrolito líquido, especialmente si se sobrecargan o se operan a alta temperatura. Esto reduce la vida útil. [11]
El tiempo de recarga es un parámetro importante para el usuario de un producto alimentado por baterías recargables. Incluso si la fuente de alimentación de carga proporciona suficiente energía para hacer funcionar el dispositivo y recargar la batería, el dispositivo está conectado a una fuente de alimentación externa durante el tiempo de carga. En el caso de los vehículos eléctricos utilizados industrialmente, la carga fuera de turno puede ser aceptable. En el caso de los vehículos eléctricos de carretera, es necesaria una carga rápida para cargar en un tiempo razonable.
Una batería recargable no se puede recargar a una velocidad arbitrariamente alta. La resistencia interna de la batería producirá calor y un aumento excesivo de la temperatura dañará o destruirá la batería. Para algunos tipos, la velocidad máxima de carga estará limitada por la velocidad a la que el material activo puede difundirse a través de un electrolito líquido. Las velocidades de carga altas pueden producir un exceso de gas en una batería o pueden dar lugar a reacciones secundarias dañinas que reduzcan permanentemente la capacidad de la batería. En términos generales, y con muchas excepciones y advertencias, restaurar la capacidad total de una batería en una hora o menos se considera una carga rápida. Un sistema de cargador de batería incluirá estrategias de carga y circuitos de control más complejas para una carga rápida que para un cargador diseñado para una recarga más lenta.
Los componentes activos de una celda secundaria son las sustancias químicas que forman los materiales activos positivos y negativos, y el electrolito . Los electrodos positivos y negativos están compuestos de materiales diferentes: el positivo presenta un potencial de reducción y el negativo un potencial de oxidación . La suma de los potenciales de estas semirreacciones es el potencial o voltaje estándar de la celda .
En las celdas primarias, los electrodos positivo y negativo se conocen como cátodo y ánodo , respectivamente. Aunque esta convención a veces se aplica a los sistemas recargables (especialmente con celdas de iones de litio , debido a sus orígenes en celdas de litio primarias), esta práctica puede generar confusión. En las celdas recargables, el electrodo positivo es el cátodo en la descarga y el ánodo en la carga, y viceversa para el electrodo negativo.
La batería de plomo-ácido , inventada en 1859 por el físico francés Gaston Planté , es el tipo de batería recargable más antiguo. A pesar de tener una relación energía-peso muy baja y una relación energía-volumen baja, su capacidad para suministrar altas corrientes de sobretensión significa que las celdas tienen una relación potencia-peso relativamente grande . Estas características, junto con el bajo costo, la hacen atractiva para su uso en vehículos de motor para proporcionar la alta corriente requerida por los motores de arranque de los automóviles .
La batería de níquel-cadmio (NiCd) fue inventada por Waldemar Jungner de Suecia en 1899. Utiliza hidróxido de óxido de níquel y cadmio metálico como electrodos . El cadmio es un elemento tóxico y la Unión Europea lo prohibió para la mayoría de los usos en 2004. Las baterías de níquel-cadmio han sido reemplazadas casi por completo por las baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH).
La batería de níquel-hierro (NiFe) también fue desarrollada por Waldemar Jungner en 1899 y comercializada por Thomas Edison en 1901 en Estados Unidos para vehículos eléctricos y señalización ferroviaria . Está compuesta únicamente por elementos no tóxicos, a diferencia de muchos tipos de baterías que contienen mercurio, cadmio o plomo tóxicos.
La batería de níquel-hidruro metálico (NiMH) se comercializó en 1989. [12] Actualmente, se trata de un tipo común en el mercado de consumo y en la industria. La batería tiene una aleación que absorbe hidrógeno para el electrodo negativo en lugar de cadmio .
La batería de iones de litio se introdujo en el mercado en 1991 y es la opción preferida en la mayoría de los productos electrónicos de consumo, ya que tiene la mejor densidad energética y una pérdida de carga muy lenta cuando no se utiliza. También tiene inconvenientes, en particular el riesgo de ignición inesperada debido al calor generado por la batería. [13] Estos incidentes son poco frecuentes y, según los expertos, se pueden minimizar "mediante un diseño, una instalación, unos procedimientos y unas capas de protección adecuados", por lo que el riesgo es aceptable. [14]
Las baterías de polímero de iones de litio (LiPo) son ligeras, ofrecen una densidad energética ligeramente superior a las de iones de litio a un coste ligeramente superior y se pueden fabricar en cualquier forma. Están disponibles [15] pero no han desplazado a las de iones de litio en el mercado. [16] Un uso principal de las baterías de LiPo es el de alimentar coches, barcos y aviones teledirigidos. Los paquetes de LiPo están disponibles en el mercado de consumo, en varias configuraciones, hasta 44,4 V, para alimentar determinados vehículos teledirigidos y helicópteros o drones. [17] [18] Algunos informes de pruebas advierten del riesgo de incendio cuando las baterías no se utilizan de acuerdo con las instrucciones. [19] Las revisiones independientes de la tecnología analizan el riesgo de incendio y explosión de las baterías de iones de litio en determinadas condiciones porque utilizan electrolitos líquidos. [20]
‡ Se necesitan citas para estos parámetros
Se han desarrollado varios tipos de baterías de litio-azufre , y numerosos grupos de investigación y organizaciones han demostrado que las baterías basadas en litio-azufre pueden alcanzar una densidad energética superior a otras tecnologías de litio. [39] Mientras que las baterías de iones de litio ofrecen una densidad energética en el rango de 150-260 Wh/kg, se espera que las baterías basadas en litio-azufre alcancen 450-500 Wh/kg, y pueden eliminar el cobalto, el níquel y el manganeso del proceso de producción. [23] [40] Además, aunque inicialmente las baterías de litio-azufre sufrieron problemas de estabilidad, investigaciones recientes han logrado avances en el desarrollo de baterías de litio-azufre que duran tanto (o más) que las baterías basadas en tecnologías de iones de litio convencionales. [41]
La batería de película delgada (TFB) es un refinamiento de la tecnología de iones de litio de Excellatron. [42] Los desarrolladores afirman un gran aumento en los ciclos de recarga a alrededor de 40.000 y mayores tasas de carga y descarga, al menos una tasa de carga de 5 C. Descarga sostenida de 60 C y tasa de descarga máxima de 1000 C y un aumento significativo en la energía específica y la densidad de energía. [43]
Las baterías de fosfato de hierro y litio se utilizan en algunas aplicaciones.
UltraBattery , una batería híbrida de plomo-ácido y ultracondensador inventada por la organización científica nacional de Australia CSIRO , exhibe decenas de miles de ciclos de estado de carga parcial y ha superado a las celdas tradicionales basadas en plomo-ácido, litio y NiMH cuando se compara en pruebas en este modo contra perfiles de potencia de gestión de variabilidad. [44] UltraBattery tiene instalaciones a escala de kW y MW en Australia, Japón y los EE. UU. También ha sido sometida a pruebas exhaustivas en vehículos eléctricos híbridos y se ha demostrado que dura más de 100,000 millas de vehículo en pruebas comerciales en carretera en un vehículo de mensajería. Se afirma que la tecnología tiene una vida útil de 7 a 10 veces la de las baterías de plomo-ácido convencionales en un uso de estado de carga parcial de alta tasa, con beneficios de seguridad y ambientales sobre competidores como el ion de litio. Su fabricante sugiere que ya existe una tasa de reciclaje de casi el 100% para el producto.
La batería de iones de potasio proporciona alrededor de un millón de ciclos, debido a la extraordinaria estabilidad electroquímica de los materiales de inserción/extracción de potasio, como el azul de Prusia . [45]
La batería de iones de sodio está diseñada para el almacenamiento estacionario y compite con las baterías de plomo-ácido. Su objetivo es lograr un bajo costo total de propiedad por kWh de almacenamiento. Esto se logra mediante una vida útil prolongada y estable. El número efectivo de ciclos es superior a 5000 y la batería no se daña por descarga profunda. La densidad de energía es bastante baja, algo menor que la de las baterías de plomo-ácido. [ cita requerida ]
Una batería recargable es sólo uno de varios tipos de sistemas de almacenamiento de energía recargable. [46] Existen o están en desarrollo varias alternativas a las baterías recargables. Para usos tales como radios portátiles , las baterías recargables pueden ser reemplazadas por mecanismos de relojería que se dan cuerda a mano, impulsando dinamos , aunque este sistema puede usarse para cargar una batería en lugar de para operar la radio directamente. Las linternas pueden ser impulsadas directamente por un dinamo. Para el transporte, los sistemas de suministro de energía ininterrumpida y los laboratorios, los sistemas de almacenamiento de energía de volante de inercia almacenan energía en un rotor giratorio para convertirla en energía eléctrica cuando sea necesario; dichos sistemas pueden usarse para proporcionar grandes pulsos de energía que de otro modo serían objetables en una red eléctrica común.
También se utilizan ultracondensadores , condensadores de altísimo valor; en 2007 se presentó un destornillador eléctrico que se carga en 90 segundos y atornilla aproximadamente la mitad de tornillos que un dispositivo que utiliza una batería recargable [47] , y se han producido linternas similares. En consonancia con el concepto de ultracondensadores, las baterías betavoltaicas pueden utilizarse como método para proporcionar una carga lenta a una batería secundaria, lo que prolonga enormemente la vida útil y la capacidad energética del sistema de batería que se utiliza; este tipo de disposición se suele denominar "fuente de energía betavoltaica híbrida" en la industria [48] .
Se están desarrollando ultracondensadores para el transporte, utilizando un condensador de gran tamaño para almacenar energía en lugar de los bancos de baterías recargables que se utilizan en los vehículos híbridos . Una desventaja de los condensadores en comparación con las baterías es que el voltaje terminal cae rápidamente; un condensador que tiene el 25% de su energía inicial restante tendrá la mitad de su voltaje inicial. Por el contrario, los sistemas de batería tienden a tener un voltaje terminal que no disminuye rápidamente hasta que casi se agota. Esta caída de voltaje terminal complica el diseño de la electrónica de potencia para su uso con ultracondensadores. Sin embargo, existen beneficios potenciales en la eficiencia del ciclo, la vida útil y el peso en comparación con los sistemas recargables. China comenzó a utilizar ultracondensadores en dos rutas de autobuses comerciales en 2006; una de ellas es la ruta 11 en Shanghái . [49]
Las baterías de flujo , que se utilizan para aplicaciones especializadas, se recargan reemplazando el líquido electrolítico. Una batería de flujo puede considerarse un tipo de pila de combustible recargable .
La investigación sobre baterías recargables incluye el desarrollo de nuevos sistemas electroquímicos, así como la mejora de la vida útil y la capacidad de los tipos actuales.
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Todavía no he oído hablar de una batería de polímero de litio que se haya incendiado durante el almacenamiento. Todos los incidentes de incendio de los que tengo conocimiento ocurrieron durante la carga o descarga de la batería. De esos casos, la mayoría de los problemas ocurrieron durante la carga. De esos casos, la falla generalmente recaía en el cargador o en la persona que lo operaba... pero no siempre.
