en este tutorial, aprenderemos sobre uno de los componentes importantes en los Sistemas Eléctricos y Electrónicos: una batería. Veremos información básica sobre una batería, echaremos un vistazo a los diferentes tipos de baterías y también una guía sobre qué tipo de batería es adecuado para su aplicación.,
Esquema
Introducción
Si usted es un Ingeniero Eléctrico o no, usted puede venir a través de al menos un par de diferentes tipos de baterías en su vida. Algunos de los lugares comunes donde se utilizan baterías son relojes de pared, alarmas o detectores de humo que utiliza pequeñas baterías desechables o automóviles, camiones o motocicletas que utiliza baterías recargables relativamente grandes.
Las baterías se han convertido en una fuente de energía muy importante en la última década., Incluso antes de eso, eran una parte integral de nuestras vidas en la alimentación de varios dispositivos portátiles como radios transistores, Walkman, juegos de mano, cámaras, etc.
pero con el desarrollo de teléfonos inteligentes avanzados, tabletas, computadoras portátiles, energía solar y vehículos eléctricos, la investigación sobre baterías potentes que pueden durar más y pueden entregar la energía necesaria ha llegado a su punto máximo.
de hecho, el Premio Nobel de Química 2019 ha sido otorgado a tres científicos John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino por el desarrollo de baterías de iones de litio.,
¿Qué es una Batería?
Una batería es un dispositivo químico que almacena energía eléctrica en forma de productos químicos y por medio de reacción electroquímica, convierte la energía química almacenada en energía eléctrica de corriente continua. Alessandro Volta, un físico italiano, inventó la primera batería en 1800.
la reacción electroquímica en una batería implica la transferencia de electrones de un material a otro (llamados electrodos) a través de una corriente eléctrica.,
celda y batería
aunque el término batería se usa a menudo, la unidad electroquímica básica responsable del almacenamiento real de energía se llama celda. Una célula, como acabamos de mencionar, es la unidad electroquímica fundamental que es la fuente de energía eléctrica producida por la conversión de energía química.
en su forma básica, una célula típicamente contiene tres componentes principales: dos electrodos y electrolito y también consta de terminales, separador y un contenedor. Hablando de electrodos, hay dos tipos de electrodos llamados ánodo y cátodo.,
el ánodo es el electrodo negativo (también llamado electrodo de combustible o electrodo reductor). Pierde electrones al circuito externo y en la reacción electroquímica, se oxida.
el cátodo por otro lado, es el electrodo positivo (también llamado electrodo oxidante). Acepta electrones del circuito eterno y en la reacción electroquímica, se reduce. Por lo tanto, la conversión de energía en una batería se debe a la reacción electroquímica de oxidación-reducción.
El tercer componente importante de una célula es el electrolito., Un electrolito actúa como medio para la transferencia de carga en forma de iones entre los dos electrodos. Por lo tanto, el electrolito se conoce en algún momento como Conductor iónico. Un punto importante a tener en cuenta aquí que el electrolito no es eléctricamente conductor, sino que solo tiene conductividad iónica.
una batería a menudo consiste en una o más «celdas» que están conectadas eléctricamente en una configuración en serie o en paralelo para proporcionar los niveles de voltaje y corriente necesarios.,
diferentes tipos de baterías
básicamente, todas las celdas y baterías electroquímicas se clasifican en dos tipos:
- primaria (no recargable)
- secundaria (recargable)
aunque hay varias otras clasificaciones dentro de estos dos tipos de baterías, estos dos son los tipos básicos. En pocas palabras, las baterías primarias son baterías no recargables, es decir, no se pueden recargar eléctricamente, mientras que las baterías secundarias son baterías recargables, es decir, se pueden recargar eléctricamente.,
baterías primarias
Una Batería primaria es una de las fuentes de energía simples y convenientes para varios dispositivos electrónicos y eléctricos portátiles como luces, cámaras, Relojes, Juguetes, radios, etc. Como no se pueden recargar eléctricamente, son del tipo» úsalo y al descargarlo, deséchalo».
generalmente, las baterías primarias son baratas, livianas, Pequeñas y muy convenientes de usar con relativamente ningún o menos mantenimiento., La mayoría de las baterías primarias que se utilizan en aplicaciones domésticas son de tipo unicelular y generalmente vienen en configuración cilíndrica (aunque es muy fácil producirlas en diferentes formas y tamaños).
tipos de baterías primarias comunes
hasta la década de 1970, las baterías basadas en ánodos de Zinc eran los tipos de baterías primarias predominantes. Durante la década de 1940, la Segunda Guerra Mundial y después de la guerra, las baterías basadas en Zinc – carbono y tienen una capacidad promedio de 50 Wh / kg.
El desarrollo más significativo en la tecnología de baterías tuvo lugar durante el período 1970-1990., Es durante este tiempo, las famosas baterías de Zinc / dióxido de manganeso alcalino se desarrollaron y lentamente reemplazaron a los tipos de Zinc-carbono más antiguos como la batería primaria principal.
Las baterías de óxido de Zinc y Mercurio y de óxido de cadmio y Mercurio también se utilizaron durante este período, Pero debido a las preocupaciones ambientales con respecto al uso de Mercurio, estos tipos de baterías se eliminaron lentamente.,
es durante este período, donde se ha iniciado el desarrollo de baterías con litio como material de ánodo activo y se considera un logro importante debido a la alta energía específica y la mayor vida útil de las baterías de litio sobre las baterías de Zinc tradicionales.
Las baterías de litio se fabrican como botón y celda de moneda para una gama específica de aplicaciones (como relojes, respaldo de memoria, etc.) mientras que las baterías cilíndricas más grandes también están disponibles.
la siguiente tabla muestra los diferentes tipos de baterías primarias junto con sus características y aplicaciones.,shelf life
Replacement for button and cylindrical cells
Lithium/Solid Electrolyte
Memory circuits, medical electronics
Secondary Batteries
A Secondary Battery is also called as Rechargeable Battery as they can be electrically recharged after discharge., El estado químico de las células electroquímicas puede ser «recargado» a su estado original al pasar una corriente a través de las células en la dirección opuesta a su descarga.
básicamente, las baterías secundarias se pueden utilizar de dos maneras:
en la primera categoría de aplicaciones, las baterías secundarias se utilizan esencialmente como dispositivos de almacenamiento de energía donde se conectan eléctricamente a una fuente de energía principal y también se cargan por ella y también suministran energía cuando es necesario. Ejemplos de tales aplicaciones son los vehículos eléctricos híbridos( HEV), las fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), etc.,
la segunda categoría de aplicaciones de baterías secundarias son aquellas aplicaciones donde la batería se usa y descarga como Batería primaria. Una vez que está completamente descargada (o casi completamente descargada), en lugar de descartarla, la batería se recarga con un mecanismo de carga apropiado. Ejemplos de tales aplicaciones son toda la electrónica portátil moderna como móviles, computadoras portátiles, vehículos eléctricos, etc.,
La densidad de energía de la batería secundaria es relativamente menor que la de las baterías primarias, pero tiene otras buenas características como alta densidad de potencia, curvas de descarga planas, alta tasa de descarga, rendimiento a baja temperatura.
tipos comunes de baterías secundarias
dos de las baterías más antiguas son, de hecho, baterías secundarias llamadas baterías de plomo – ácido, que se desarrollaron a finales de 1850 y baterías de níquel – cadmio, que se desarrollaron a principios de 1900. ,
la primera y las baterías recargables más utilizadas se llaman baterías de plomo-ácido. Se basan en la pareja electroquímica de dióxido de plomo – plomo (Pb – PbO2). El electrolito utilizado en este tipo de baterías es el ácido sulfúrico muy común.
el segundo tipo de baterías recargables se llaman baterías de níquel-cadmio. Se basan en Oxihidróxido de níquel (óxido de níquel) como electrodo positivo y electrodo negativo a base de metal de cadmio. Llegando al electrolito, se utiliza una solución alcalina de hidróxido de potasio.,
en las últimas décadas, han surgido dos nuevos tipos de baterías recargables. Son la batería de hidruro de níquel – Metal y la batería de iones de litio. De estos dos, la batería de iones de litio resultó ser un cambio de juego y se convirtió en comercialmente superior con su alta energía específica y cifras de densidad de energía (150 Wh / kg y 400 Wh / L).,
hay algunos otros tipos de baterías secundarias, pero los cuatro tipos principales son:
- baterías de plomo – ácido
- baterías de níquel – cadmio
- baterías de níquel – hidruro metálico
- baterías de iones de litio
veamos brevemente estos tipos de baterías individualmente.
baterías de plomo – ácido
Las baterías de plomo-ácido son, con mucho, las baterías recargables más populares y utilizadas. Han sido un producto exitoso durante más de un siglo., Las baterías de plomo-ácido están disponibles en varias configuraciones diferentes, como celdas selladas pequeñas con capacidad de 1 Ah a celdas grandes con capacidad de 12,000 Ah.
una de las principales aplicaciones de las baterías de plomo-ácido se encuentran en la industria automotriz, ya que se utilizan principalmente como baterías SLI (Arranque, Iluminación e ignición).
otras aplicaciones de baterías de plomo-ácido incluyen almacenamiento de energía, energía de emergencia, vehículos eléctricos (incluso vehículos híbridos), sistemas de comunicación, sistemas de iluminación de emergencia, etc.,
la amplia gama de aplicaciones de las baterías de plomo-ácido son el resultado de sus amplios rangos de voltaje, diferentes formas y tamaños, bajo costo y mantenimiento relativamente fácil. En comparación con otras tecnologías de baterías secundarias, las baterías de plomo-ácido son la opción menos costosa para cualquier aplicación y proporcionan un rendimiento muy bueno.
la eficiencia eléctrica de las baterías de plomo-ácido está entre el 75 y el 80%. Esta eficiencia los valoran adecuados para el almacenamiento de energía (fuentes de alimentación ininterrumpida – UPS) y vehículos eléctricos.,
baterías de níquel – cadmio
Las baterías de níquel-cadmio o simplemente baterías de Ni-Cd son uno de los tipos de baterías más antiguos disponibles hoy en día junto con las baterías de plomo-ácido. Tienen una vida muy larga y son muy fiables y robustos.
Una de las principales ventajas de las baterías de Ni-Cd es que pueden ser sometidas a altas tasas de descarga y pueden ser operadas en un amplio rango de temperaturas. Además, la vida útil de las baterías de Ni-Cd es muy larga., El costo de estas baterías es más alto que las baterías de plomo-ácido por vatio-hora básica, pero es menor que otro tipo de baterías alcalinas.
como se mencionó anteriormente, las baterías de Ni-Cd utilizan Oxihidróxido de níquel (NiOOH) como cátodo y cadmio metálico (Cd) como ánodo. Las baterías típicas de grado de consumo vienen con un voltaje en línea de 1.2 V. en aplicaciones industriales, Ni-Cd son solo segundos a las baterías de plomo-ácido debido a sus rendimientos de baja temperatura, voltaje de descarga plana, larga vida útil, bajo mantenimiento y excelente confiabilidad.,
Desafortunadamente, hay una característica importante de las baterías de Ni-Cd llamada «efecto memoria», que es su única desventaja. Cuando las células de Ni-Cd se descargan parcialmente y luego se recargan, pierden su capacidad progresivamente, es decir, ciclo por ciclo. «Acondicionamiento» es el proceso donde se puede restaurar la capacidad perdida de las baterías.
en este Proceso, las células se descargan completamente a cero voltios y luego se recargan completamente.,
baterías de níquel – hidruro metálico
Estos son un tipo relativamente nuevo de baterías son una versión extendida de las baterías de electrodos de níquel – hidrógeno, que se utilizaron exclusivamente en aplicaciones aeroespaciales (satélites). El electrodo positivo es el Oxihidróxido de níquel (NiOOH), mientras que el electrodo negativo de la célula es una aleación metálica, donde el hidrógeno se almacena reversiblemente.
durante la carga, la aleación metálica absorbe el hidrógeno para formar hidruro metálico y durante la descarga, el hidruro metálico pierde hidrógeno.,
una ventaja principal de las baterías de hidruro de níquel-metal sobre la batería de Ni-Cd, su mayor energía específica y densidad de energía. Las baterías selladas de hidruro metálico de níquel están disponibles comercialmente como células cilíndricas Pequeñas y se utilizan en electrónica portátil.
baterías de iones de litio
la aparición de las baterías de iones de litio en las últimas décadas ha sido bastante fenomenal. Más del 50% del mercado de consumo ha adoptado el uso de baterías de iones de litio. En particular, computadoras portátiles, teléfonos móviles, cámaras, etc. son las aplicaciones más grandes de las baterías de iones de litio.,
Las baterías de iones de litio tienen una densidad de energía significativamente alta, una alta energía específica y una vida útil de ciclo más larga. Otras ventajas principales de las baterías de iones de litio son la lenta tasa de autodescarga y la amplia gama de temperaturas de funcionamiento.
aplicaciones de baterías
en las últimas décadas, el uso de pequeñas baterías selladas en aplicaciones de consumo ha sido exponencial. Las baterías primarias o recargables en factor de forma pequeño se están utilizando en un gran número de aparatos. Algunos de ellos se mencionan a continuación.,
- dispositivos electrónicos portátiles: relojes, cámaras, teléfonos móviles, computadoras portátiles, videocámaras, Calculadoras, equipos de prueba (Multímetros).
- entretenimiento: Radios, reproductores de MP3, reproductores de CD, todos los controles remotos infrarrojos, juguetes, juegos, teclados.
- hogar: Relojes, alarmas, detectores de humo, luces de destello, UPS, luces de emergencia, cepillos de dientes, cortapelos y afeitadoras, monitores de presión arterial, audífonos, marcapasos, herramientas eléctricas portátiles (taladros, destornillador).
¿Cómo Elegir una Batería?,
La selección de una batería para su aplicación se puede ajustar a solo dos características: rendimiento y costo. Pero si profundizamos un poco más, los siguientes son factores determinantes para elegir la batería adecuada para su aplicación.
- Primaria o Secundaria
- Energía
- la Vida útil
- Eficiencia Energética y la Velocidad de Recarga
- la Vida de la Batería
- Temperatura de la Batería
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