por juangarcia » 26 Feb 2010 19:14
Les prepare un resumen muy general sobre las caracteristicas propias de las algunas baterias.
Conceptos básicos de las Baterías.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO:
El funcionamiento de una batería (acumulador), está basado esencialmente en algún tipo de proceso reversible; es decir, un proceso cuyos componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que meramente se transformen en otros, que a su vez puedan retornar al estado primero, en las circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, en el caso de los acumuladores, el cierre del circuito externo, durante el proceso de descarga, y la aplicación de una corriente, igualmente externa, durante la carga.
Resulta que procesos de este tipo son bastante comunes, por extraño que parezca, en las relaciones entre los elementos químicos y la electricidad durante el proceso denominado electrólisis, y en los generadores voltaicos o pilas. Los investigadores del siglo XIX dedicaron numerosos esfuerzos a observar y a esclarecer este fenómeno, que recibió el nombre de polarización. Un acumulador es, así, un dispositivo en el que la polarización se lleva a sus límites alcanzables, y consta, en general, de dos electrodos, del mismo o de distinto material, sumergidos en un electrolito.
ALGUNOS TIPOS DE ACUMULADORES(BATERIAS): de plomo(Pb), alcalina, alcalina de manganeso, alcalina recargable de dióxido de zinc-manganeso, oxido de plata-zinc, pilas secundarias de litio(bisulfito de litio-titanio, dióxido de litio-manganeso y bisulfito de litio-molibdeno), pilas secundarias de sodio-sulfuro, níquel-cadmio(Ni-Cd), Hidróxido de níquel-zinc, hidróxido de níquel-hierro, hidróxido de níquel-hidrogeno, níquel-hidruro metálico)Ni-MH), iones de litio(Li-ion), polímero de litio(Li-poli), pilas de combustible, Condensador de alta capacidad, entre otros.
Por cuestión de espacio solo mencionaremos de: plomo, alcalinas, níquel-cadmio(Ni-CD), níquel-hidruro metálico(Ni-HM) y iones de litio (Li-ion)
aCUMULADOR DE PLOMO: (Ejemplo didáctico y funcionamiento básico)
Son un tipo de batería muy común en vehículos convencionales, no híbridos. Suelen dar 6, 12 u otro múltiplo, pero la tensión que suministra cada celda es de 2 V. Tienen una gran capacidad de corriente que las hacen ideales para los motores de arranque. Su forma más conocida son las baterías de automóvil.
Están formadas por un depósito de ácido sulfúrico y dentro de él una serie de placas de plomo dispuestas alternadamente. Para evitar la combadura de las placas positivas, se dispone una negativa adicional, de forma que siempre haya una placa negativa exterior. Generalmente, en su fabricación, las placas positivas están recubiertas o impregnadas de dióxido de plomo (PbO2), y las negativas están formadas por plomo esponjoso. Este estado inicial corresponde a la batería cargada, así que el electrolito agregado inicialmente debe corresponder a la batería con carga completa (densidad 1.280 g/ml). Según el número de placas, la corriente (intensidad) suministrada será mayor o menor. Debajo de las placas se deja un espacio para que se depositen eventuales desprendimientos de los materiales que forman las placas. Para que no haya contacto eléctrico directo entre placas positivas y negativas, se disponen separadores aislantes que deben ser resistentes al ácido y permitir la libre circulación del electrolito.
El Acumulador de plomo está constituido por dos tipos de electrodos de plomo que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo (PbSO4 II) incrustado en una matriz de plomo metálico (Pb); el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico. Esta dilución en agua es tal que su densidad es de 1.280 +/– 0.010 g/ml con carga plena, y bajará a 1.100 g/ml cuando la batería esté descargada. Este tipo de acumulador se usa en muchas aplicaciones, además de los automóviles.
Su funcionamiento es el siguiente:
Durante el proceso de carga inicial el sulfato de plomo (II) es reducido a plomo metal en el polo negativo, mientras que en el ánodo se forma óxido de plomo (IV) (PbO2). Por lo tanto se trata de un proceso de dismutación. No se libera hidrógeno, ya que la reducción de los protones a hidrógeno elemental está cinéticamente impedida en una superficie de plomo, característica favorable que se refuerza incorporando a los electrodos pequeñas cantidades de plata. El desprendimiento de hidrógeno provocaría la lenta degradación del electrodo, ayudando a que se desmoronasen mecánicamente partes del mismo, alteraciones irreversibles que acortan la duración del acumulador. Sólo si se supera la tensión de carga recomendada se libera hidrógeno, se consume el agua del electrolito y se acorta la vida de las placas, con el consiguiente peligro de explosión por la combustibilidad del hidrógeno. Durante la descarga se invierten los procesos de la carga. El óxido de plomo (IV) es reducido a sulfato de plomo (II) mientras que el plomo elemental es oxidado para dar igualmente sulfato de plomo (II). Los electrones intercambiados se aprovechan en forma de corriente eléctrica por un circuito externo.
Los procesos elementales que trascurren son los siguientes:
En la descarga baja la concentración del ácido sulfúrico, porque se crea sulfato de plomo y aumenta la cantidad de agua liberada en la reacción. Como el ácido sulfúrico concentrado tiene una densidad superior al ácido sulfúrico diluido, la densidad del ácido puede servir de indicador para el estado de carga del dispositivo.
No obstante, este proceso no se puede repetir indefinidamente porque, cuando el sulfato de plomo forma cristales muy grandes y/o por perdida del electrolito, ya no responden bien a los procesos indicados, con lo que se pierde la característica esencial de la reversibilidad. Se dice entonces que el acumulador se ha sulfatado y es necesario sustituirlo por otro nuevo. Los cristales grandes también se forman si se deja caer por debajo de 1.8 V la tensión de cada celda, la evaporación se presenta, cuando hay sobrecarga excesiva.
Muchos acumuladores de este tipo que se venden, pueden encontrarse los que utilizan un electrolito en pasta ó gel, que no se evapora y hace mucho más segura y cómoda su utilización, incluso los hay sellados y libres de mantenimiento.
BATERIAS ALCALINAS:
También denominada de ferroníquel, sus electrodos son láminas de acero en forma de rejilla con panales rellenos de óxido niqueloso (NiO), que constituyen el electrodo positivo, y de óxido ferroso (FeO), el negativo, estando formado el electrolito por una disolución de potasa cáustica (KOH). Durante la carga se produce un proceso de oxidación anódica y otro de reducción catódica, transformándose el óxido niqueloso en niquélico y el óxido ferroso en hierro metálico. Esta reacción se produce en sentido inverso durante la descarga.
En 1866, George Leclanché inventa en Francia la “pila seca” (Zinc-Dióxido de Manganeso), sistema que aún domina el mercado mundial de las baterías primarias. Las pilas alcalinas (de “alta potencia” o “larga vida”) son similares a las de Leclanché, pero, en vez de cloruro de amonio, llevan cloruro de sodio o de potasio. Duran más porque el zinc no está expuesto a un ambiente ácido como el que provocan los iones amonio en la pila convencional. Como los iones se mueven más fácilmente a través del electrolito, produce más potencia y una corriente más estable.
Su mayor costo se deriva de la dificultad de sellar las pilas contra las fugas de hidróxido. Casi todas vienen blindadas, lo que impide el derramamiento de los constituyentes. Sin embargo, este blindaje no tiene duración ilimitada. Las celdas secas alcalinas son similares a las celdas secas comunes, con las excepciones siguientes:
1. El electrolito es básico (alcalino), porque contiene KOH
2. La superficie interior del recipiente de Zn es áspera; esto proporciona un área de contacto mayor.
Las baterías alcalinas tienen una vida media mayor que las de las celdas secas comunes y resisten mejor el uso constante.
El voltaje de una pila alcalina es cercano a 1,5 v. Durante la descarga, las reacciones en la celda seca alcalina son:
•Ánodo: Zn (S) + 2 OH- (ac) → Zn (OH)2(s) +2 e-
•Cátodo: 2 MnO2 (S) + 2 H2 O (l) + 2 e- → 2MnO (OH) (s) + 2 OH-(ac)
•Global: Zn (s) +2 MnO2 (s) 2H2O(l) → Zn (OH)2(ac) + 2MnO (OH) (s)
El ánodo está compuesto de una pasta de zinc amalgamado con mercurio (total 1%), carbono o grafito.
Se utilizan para aparatos complejos y de elevado consumo energético. En sus versiones de 1,5 voltios, 6 voltios y 12 voltios se emplean, por ejemplo, en mandos a distancia (control remoto) y alarmas.
BATERIAS DE NÍQUEL-CADMIO (Ni-Cd)
Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de materiales permite recargar la batería una vez que está agotada, para su reutilización. Sin embargo, su densidad de energía es de tan sólo 50 Wh/kg, lo que hace que tengan poca capacidad. Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no admiten mas carga, aunque no la almacena. Admiten un gran rango de temperaturas de funcionamiento. Voltaje proporcionado: 1,2V Densidad de energía: 50 Wh/Kg Capacidad usual: 0.5 a 1.0 Amperios (en pilas tipo AA) Efecto memoria: muy Alto. Cualquier usuario de estos artículos podría dar testimonio de la necesidad de mejora técnica de estas baterías (se descargan solas demasiado y rápidamente, presentan un peculiar efecto memoria que reduce su capacidad).
Carga de la Batería de níquel-cadmio
Para cargar una batería, es necesario hacer fluir una cantidad de energía a través de ella (flujo de corriente). Esta cantidad de flujo de energía es lo que llamamos rata de carga, la cual se mide en miliamperio (mA), de la que depende el tiempo necesario para lograr la carga completa de la batería. La rata de carga es de vital importancia durante la carga de la batería, pues un exceso de ella pueda dañar, deteriorar o disminuir la vida útil de la batería.
Existen 4 métodos de carga para estas baterías: Carga larga o normal, carga rápida, carga acelerada, y carga de goteo, pero él mas utilizado es la carga larga o normal
CARGA LARGA O NORMAL: Con este método una batería recargada alcanza su 100% de carga entre 14 y 16 horas. La carga esta determinada por la formula C/10, donde C corresponde a la capacidad de la batería en miliamperios hora. Este método de carga es él mas usado y además él mas seguro, pues las baterías de NI-CD pueden permanecer bajo esta carga durante largos periodos; días e inclusive semanas sin sufrir daños.
CARGA RAPIDA: Una batería de NI-CD descargada, puede alcanzar su carga máxima en 4 o 6 horas, el tiempo de carga esta determinada por C/3, es decir, la capacidad especificada de la batería dividido por 3.
Muchas baterías de NI-CD pueden aceptar este tipo de carga, pero este no es muy recomendable, porque acorta el tiempo de vida útil de la batería.
CARGA ACELERADA: Con una carga acelerada se logra el 100% de la carga de la batería en 15 minutos o menos. La carga la determina la formula 3C o tres veces la capacidad especificada de la batería. Muchas baterías de NI-CD hoy en día aceptan este tipo de carga, sin embargo, esta solo debe utilizarse utilizando cargadores especializados porque el tiempo de carga es muy critico para prevenir la sobrecarga y deterioro de la batería.
CARGA POR GOTEO: Esta carga proporciona a la batería la energía perdida durante el tiempo en que este sin uso. La rata de carga se define como C/50. Las baterías de NI-CD pueden permanecer bajo esta rata de carga durante un tiempo indefinido, sin que estas sufran daños y sosteniendo siempre el 100% de la carga. El uso de esta carga es solo para sostener la carga de la batería, mas no para cargarla.
Recomendaciones para el cuidado:
• No exponga sus baterías a temperaturas extremas. El exceso de Calor o de frío puede ser fatal para las baterías.
• Cuando no estén en uso, guarde las baterías completamente cargadas, esto evitara la formación de corto circuitos en las celdas de la batería.
• Tenga cuidado de no sobrecargar las baterías, esto puede ocurrir por exceso en el tiempo de carga
• Inspeccione periódicamente los paquetes de baterías en busca de sulfatos. Malas soldaduras o deterioro de cables.
BATERIAS DE NÍQUEL-HIDRURO METÁLICO (Ni-MH)
Una batería de níquel-hidruro metálico (Ni-MH) es un tipo de batería recargable que utiliza un ánodo de oxidróxido de níquel (NiOOH), como la batería de níquel cadmio, pero su cátodo es de una aleación de hidruro metálico. Esto permite el beneficio de una mayor capacidad de carga y un menor efecto memoria. Por contra, presentan una mayor tasa de auto descarga que las de NiCd, lo que hace que estas se perpetúen en nichos de largos periodos entre consumo (como los mandos a distancia, luces de emergencia, etc), mientras que son desplazadas por las NiMH en el de consumo continuo.
Cada célula de Ni-MH puede proporcionar un voltaje de 1,2 voltios y una capacidad entre 0,8 y 2,9 amperio-hora. Su densidad de energía llega a los 80 Wh/kg. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria, en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), imposibilitando el uso de toda su energía. Los ciclos de carga de estas baterías oscilan entre las 500 y 700 cargas, algunos de sus inconvenientes son las "altas" temperaturas que alcanzan en las cargas o en los usos.
Carga de la batería Ni-MH.
CARGA RÁPIDA: Las baterías de Ni-Mh pueden cargarse rápidamente en aproximadamente 1 hora usando para ello un sistema cargador especialmente diseñado.
CARGA LENTA O NORMAL: La carga deberá detenerse después 12 horas para una batería completamente descarga. Si la batería no esta completamente descargada. La aplicación de 12 horas de carga, sobrecargará la batería.
CARGA SÚPER RÁPIDA: Para lograr cargar completamente una Batería de Ni-Mh en 1 hora sin sobrecargarla y sin que esta sufra deterioro por temperatura, es necesario que el sistema de carga este equipado con sistemas de terminación de carga combinados (temperatura dT/dt, Voltaje " V, Tiempo).
BATERIA DE IONES DE LITIO (Li-ion)
Las baterías de iones de litio (Li-ion) utilizan un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u óxido de manganeso. Su desarrollo es más reciente, y permite llegar a altas densidades de capacidad. No admiten descargas, y sufren mucho cuando éstas suceden por lo que suelen llevar acoplada circuitería adicional para conocer el estado de la batería, y evitar así tanto la carga excesiva, como la descarga completa. Apenas sufren el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de estar descargadas completamente, sin reducción de su vida útil. No admiten bien los cambios de temperatura. En los primeros prototipos de baterías de litio, el electrodo positivo (cátodo) era normalmente un óxido o sulfuro metálico con la capacidad de intercalar y desintercalar iones litio en los procesos de descarga y carga de la batería de un modo reversible; el electrodo negativo (ánodo) en estos primeros sistemas estaba constituido por litio metálico que debía sufrir procesos igualmente reversibles de disolución durante la descarga y deposición durante la recarga. Para llegar a ser realmente aplicables las baterías de litio han tenido que superar inconvenientes, algunos de ellos graves. El más serio obstáculo para la comercialización de baterías de litio recargables se derivó precisamente de la gran reactividad del litio metálico que podría representar problemas de seguridad; el uso del metal como ánodo se vio asociado a problemas de crecimiento dendrítico del litio durante los procesos de recarga continuados. Este comportamiento llegó a ser causa de problemas de funcionamiento y seguridad. Afortunadamente estos problemas se resolvieron de forma totalmente satisfactoria con la introducción de dos variantes dentro de esta tecnología: las baterías de "ion-litio", y el desarrollo de electrolitos poliméricos plásticos menos reactivos que sus análogos líquidos. En las baterías de ion-litio el ánodo no está formado por litio metálico sino por otro material mucho más seguro, como por ejemplo el grafito, capaz de intercalar (o almacenar) iones de litio en una forma menos reactiva que la del litio metálico, sin un notable detrimento de su densidad energética.
DURANTE LA DESCARGA: Los iones litio cambian espontáneamente del electrodo negativo al electrolito y de éste al electrodo positivo. El electrolito permite el paso de iones pero no de electrones. Al mismo tiempo, los electrones fluyen espontáneamente del electrodo negativo al positivo a través del único camino que les dejamos libre: a través de nuestro circuito eléctrico. A medida que avanza la descarga, el potencial (E) de cada electrodo cambia de forma que su diferencia disminuye y cae por tanto el voltaje de la celda (DeltaE) a medida que sacamos carga eléctrica (Q) de la batería.
DURANTE LA CARGA: Bombeamos electrones en el electrodo negativo y los extraemos del positivo. Hacemos por tanto el electrodo negativo más negativo y el positivo más positivo y aumentamos así la diferencia de potencial entre ellos, o, lo que es lo mismo, el voltaje de la celda. Este proceso fuerza también a los iones litio a salir del electrodo positivo y a intercalarse en el negativo. Siempre se empleara más energía en cargar la batería, de la que ésta nos da durante la descarga. La Naturaleza es así, pero uno de nuestros objetivos es minimizar esta diferencia.
Voltaje proporcionado: 2.0V Densidad de energía: 115 W/Kg Capacidad usual: 1.5 a 2.8 Amperios (en pilas tipo AA) Efecto memoria: muy bajo.
Notas:
1.- Todas las celdas de una batería producen gas durante la carga en pequeñas cantidades, sobre todo si se supera la tensión de carga recomendada, pero el sellado de la celda permite la recombinación de gases generados durante la carga. Cuando se sobrecarga y/o se recarga rápidamente y con tiempo excedido, las celdas general gases en exceso y no alcanzan a recombinarse, con un aumento en la presión del recipiente que las contiene, abombándolo, posiblemente rompiendo los sellos y dejando escapar el electrólito.
2.-Efecto memoria: En el que en cada recarga, limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), reduciendo la capacidad de almacenar energía, al crearse cristales en el interior de la batería.
3.- Téngase en cuenta, sin embargo, que, cuando le den indicaciones en el cuerpo de las baterías o en sus envases, como por ejemplo: Cárguese a 120 mA durante 12 horas, si la capacidad del acumulador fuesen 1200 mAh, se le debería aplicar una corriente de carga de 120 mA durante el número de horas indicado. 120*12 = 1440, por lo que para cargar la batería 240 mA se han convertido en calor y 1200 mA se han almacenado en la batería.
4.- El término pila, termino que denomina a los generadores de electricidad no recargables. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas — en el primer caso uno encima de otro, "apilados", y en el segundo, adosados lateralmente, "en batería", como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. De esta explicación se desprende que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier tipo, pero la costumbre ha fijado la distinción. Ahora también existen pilas recargables, que se pueden recargar y volver a usar pero con un número limitado de veces.
Espero que esta pequeña recopilación les sea útil.