Una batería de níquel-zinc ( batería Ni–Zn o batería NiZn ) es un tipo de batería recargable similar a las baterías de níquel-cadmio , pero con un voltaje más alto de 1,6 V.
Los sistemas de baterías de níquel - zinc de mayor tamaño se conocen desde hace más de 100 años. Desde el año 2000, el desarrollo de un sistema de electrodos de zinc estabilizado ha hecho que esta tecnología sea viable y competitiva con otros sistemas de baterías recargables disponibles en el mercado. A diferencia de otras tecnologías, no se recomienda la carga lenta .
En 1901, Thomas Alva Edison recibió la patente estadounidense 684.204 para un sistema de batería recargable de níquel-zinc. [1]
La batería fue desarrollada posteriormente por el químico irlandés Dr. James J. Drumm (1897–1974), [2] e instalada en cuatro vagones de dos vagones de la línea ferroviaria de Dublín a Bray entre 1932 y 1949. Aunque tuvieron éxito, se retiraron cuando las baterías se gastaron. Las primeras baterías de níquel-zinc proporcionaban solo una pequeña cantidad de ciclos de descarga y recarga. En la década de 1960, las baterías de níquel-zinc se investigaron como una alternativa a las baterías de plata-zinc para aplicaciones militares, y en la década de 1970 volvieron a ser de interés para los vehículos eléctricos. [3] Evercel Inc. desarrolló y patentó varias mejoras en las baterías de níquel-zinc, pero se retiró de esa área en 2004. [4]
Las baterías de níquel-zinc tienen una curva de carga-descarga similar a las celdas de NiCd o NiMH de 1,2 V , pero con un voltaje nominal más alto de 1,6 V. [5]
Las baterías de níquel-zinc funcionan bien en aplicaciones de alto consumo y pueden tener el potencial de reemplazar a las baterías de plomo-ácido debido a su mayor relación energía-masa y mayor relación potencia-masa (tan solo un 25% de la masa para la misma potencia). [6] Las baterías de níquel-zinc son menos costosas que las baterías de níquel-cadmio [6] y se espera que su precio se sitúe entre los tipos de níquel-cadmio y plomo-ácido. Las baterías de níquel-zinc pueden usarse como sustituto de las de níquel-cadmio. El Parlamento Europeo ha apoyado la prohibición de las baterías a base de cadmio; [1] las baterías de níquel-zinc son una buena alternativa para herramientas eléctricas y otras aplicaciones. Una desventaja es que su tasa de autodescarga aumenta después de aproximadamente 30 a 50 ciclos, por lo que las baterías no mantienen su carga durante tanto tiempo como cuando eran nuevas. Cuando esto no es un problema, las baterías de níquel-zinc son una buena opción para aplicaciones que requieren alta potencia y alto voltaje. [7]
En comparación con el hidróxido de cadmio, la tendencia del ion hidróxido de zinc soluble ( zincato ) a disolverse en solución y no migrar completamente de regreso al cátodo durante la recarga ha presentado, en el pasado, desafíos para la viabilidad comercial de la batería de níquel-zinc. [1] [3] Otro problema común con las baterías recargables de zinc es el cambio de forma del electrodo y las dendritas (o " bigotes "), que pueden reducir el rendimiento de descarga de la celda o, eventualmente, provocar un cortocircuito en la celda, lo que resulta en una vida útil baja.
Los avances recientes han permitido reducir considerablemente este problema. Estos avances incluyen mejoras en los materiales de los separadores de electrodos, la inclusión de estabilizadores de material de zinc y mejoras en los electrolitos (por ejemplo, mediante el uso de fosfatos ). PowerGenix ha desarrollado baterías de 1,6 V con una vida útil de la batería comparable a la de las baterías de NiCd. [8]
La vida útil de la batería se especifica más comúnmente con una profundidad de descarga del 80 por ciento de la capacidad nominal y suponiendo una tasa de corriente de descarga de una hora. A medida que se reduce la corriente de descarga o la profundidad de descarga, aumenta la cantidad de ciclos de carga y descarga de una batería. Al comparar las baterías de Ni-Zn con otras tecnologías de baterías, las comparaciones de la vida útil pueden variar según la tasa de descarga y la profundidad de descarga utilizadas.
Las pilas de níquel-cinc tienen un voltaje de circuito abierto de 1,85 voltios cuando están completamente cargadas [9] y un voltaje nominal de 1,65 V. Esto hace que las pilas de níquel-cinc sean especialmente adecuadas para productos electrónicos que requieren los 1,5 V de las pilas primarias alcalinas en lugar de los 1,2 V de la mayoría de las pilas recargables (la mayoría de los circuitos toleran el voltaje ligeramente superior) y no funcionarán correctamente más allá, por lo general, del voltaje de punto final de una pila alcalina. El voltaje de salida de una pila recargable de 1,2 V caerá hasta este punto antes de que haya entregado completamente su carga. [ cita requerida ]
Para su uso en baterías de varias celdas, el mayor voltaje de las celdas de Ni-Zn requiere menos celdas que las de NiCd y NiMH para el mismo voltaje. Tienen una baja impedancia interna (normalmente 5 miliohmios ), lo que permite altas tasas de descarga de la batería, hasta 50 C. ( C es la capacidad de la batería en Ah, dividida por una hora). [ cita requerida ]
Las celdas más nuevas, más potentes y con una vida útil de hasta 800 ciclos, pueden ser una alternativa a las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos.
Las baterías de níquel-zinc no utilizan mercurio, plomo, cadmio ni hidruros metálicos , todos los cuales pueden ser difíciles de reciclar. [10] Tanto el níquel como el zinc son elementos comunes en la naturaleza y se pueden reciclar por completo. Las celdas NiZn no utilizan materiales activos inflamables ni electrolitos orgánicos, y los diseños posteriores utilizan separadores poliméricos que reducen el problema de las dendritas.
Las celdas NiZn diseñadas correctamente pueden tener una densidad de potencia muy alta y un buen rendimiento de descarga a baja temperatura, y pueden descargarse casi al 100 % y recargarse sin problemas. A partir de 2017, [actualizar]estaban disponibles en tamaños de hasta F y 50 Ah/celda prismática.
El zinc es un metal barato y abundante, el 24.º elemento más abundante en la corteza terrestre, y no es peligroso para la salud. La oxidación habitual es +2, por lo que la carga y la descarga mueven dos electrones en lugar de uno, como en las baterías de NiMH.
Los cargadores para baterías de níquel-zinc deben ser capaces de cargar una batería con un voltaje de carga completa de 1,85 V por celda, mayor que los 1,4 V de NiMH. La tecnología NiZn es adecuada para ciclos de recarga rápidos, ya que se prefieren tasas de carga óptimas de C o C/2. [11]
Los regímenes de carga conocidos incluyen una corriente constante de C o C/2 a un voltaje de celda = 1,9 V. Un fabricante [12] recomienda cargar a una corriente constante de C/4 a C hasta que el voltaje de celda alcance 1,9 V, y luego continuar cargando a un voltaje constante de 1,9 V hasta que la corriente de carga disminuya a C/40.
En 2009 se indicó que el tiempo máximo de carga era de aproximadamente tres horas. [11] Una vez cargada, no se recomienda la carga lenta continua, ya que no se prevé la recombinación y el exceso de hidrógeno eventualmente se liberará, lo que afectará negativamente la vida útil de la batería. [ cita requerida ] Algunos cargadores para baterías de NiZn indican que no realizan una carga lenta después de que la batería está completamente cargada, sino que se apagan. [13]
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