BATERÍAS EL GRAN INCONVENIENTE DE LA ELECTRIFICACIÓN
Una batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente pila, batería o acumulador, es un dispositivo que consiste en una o más celdas electro-químicas que pueden convertir la energía química almacenada en corriente eléctrica. Cada celda consta de un electrodo positivo, o ánodo, un electrodo negativo, o cátodo, y electrolitos que permiten que los iones se muevan entre los electrodos, permitiendo que la corriente fluya fuera de la batería para llevar a cabo su función, alimentar un circuito eléctrico.
Baterías o pilas alcalinas
Las pilas alcalinas son un conjunto de varias celdas electro químicas individuales, son un tipo de pilas que obtienen su energía de la reacción química entre el zinc y el dióxido de manganeso, empleando hidróxido de potasio como electrolito. En una pila alcalina, el ánodo (polo positivo) está hecho de polvo de zinc (que permite una mayor superficie para aumentar la velocidad de la reacción y por lo tanto aumentar el flujo de electrones) y el cátodo (polo negativo) se compone de dióxido de manganeso. Se pueden diferenciar dos tipos segun si se pueden recargar o no.
Batería alcalina no recargable
Las pilas alcalinas son fabricadas en formas cilíndricas estándar intercambiables con las baterías de zinc-carbono, así como diferentes tamaños de pilas-botón. Varias pilas individuales pueden ser interactuados en serie para formar una verdadera "batería", como las de 4,5 V., que se venden para su uso con linternas y baterías de 9 voltios para el transistor de radio. Una pila cilíndrica está contenida en un contenedor de acero laminado, que es el colector católico de corriente. La mezcla del cátodo es una pasta comprimida de dióxido de manganeso con polvo de carbono añadido para una mayor conductividad. La pasta puede ser presionada en el contenedor o depositada en anillos pre-moldeados. El centro del cátodo hueco está revestido con un separador, que impide la mezcla de los materiales del ánodo y cátodo y evita el cortocircuito de la pila. El separador entre ánodo y cátodo es de una capa no-tejida (papel) de celulosa o de un polímero sintético. El separador debe permitir el paso de los iones y permanecer estable en la disolución de electrolito altamente alcalina. El ánodo está compuesto de una dispersión de polvo de zinc en un gel que contiene el electrolito hidróxido de potasio. Para evitar la gasificación de la celda al final de su vida, se utiliza más dióxido de manganeso de lo necesario para que reaccione con todo el zinc. Sección longitudinal de una batería alcalina de manganeso de 9V, seis celdas conectadas en serie. Al describir las pilas estándar de tamaño AAA, AA, C, sub-C y D, el ánodo negativo (-) está conectado a la parte plana (inferior), mientras que el cátodo positivo (+) está conectado al botón metálico elevado (superior).
Batería alcalina recargable
También conocida como Batería recargable de Manganeso; RAM, los electrodos son dióxido de zinc y manganeso, pero el electrolito es hidróxido de potasio (KOH), el electrolito utiliza la mayoría de las células alcalinas primarias y en las células recargables basadas en níquel, como las células NiCd, NiMh y NiFe.
- Similar a las celdas de carbono de zinc pero con el doble de densidad de energía.
- Cuatro veces la capacidad de un tamaño equivalente recargable de níquel cadmio o níquel metal hidruro.
- Cuatro a nueve veces más que la celda de carbono de zinc equivalente.
- Capacidad constante en un amplio rango de drenajes actuales.
- Adecuado para aplicaciones de alta tasa de drenaje.
- Mejor rendimiento a baja temperatura que el carbono de zinc. Continúa funcionando en temperaturas bajo cero. Menos fugas que las celdas de carbono- zinc. Disponible en una amplia gama de tamaños, incluyendo tamaños AAA, AA, C, D y 9v.
- Adecuado para una amplia gama de aplicaciones de consumo y fabricado de productos químicos no tóxicos
Deficiencias
- Mayor coste que las celdas de carbono-zinc competidoras básicas normalmente no recargable.
- 25% más pesada que las celdas de Leclanché.
- Las celdas RAM tienen una vida de ciclo limitada de aproximadamente 100 ciclos y solo están disponibles en tamaños AA y AAA.
- Por construcción, son pilas secas, completamente selladas y no requieren mantenimiento.
- A medida que se descarga una batería alcalina, los productos químicos dentro de la batería reaccionan para crear una corriente eléctrica.
- A medida que se acumulan los productos químicos de la reacción, la batería ya no puede suministrar la corriente adecuada y la batería se agota. Las diferentes baterías se basan en diferentes reacciones químicas.
- La diferencia entre pilas alcalinas y baterías recargables es que la reacción química es reversible dentro de una recargable. Esto quiere decir que, cuando la energía eléctrica desde una fuente externa (es decir, un cargador) se aplica a la batería, el flujo de electrones que se produce durante la descarga se invierte. En este caso, se produce la recarga de la pila.
- Las pilas alcalinas comunes no están diseñadas para ser recargadas en ningún cargador de NiCd/NiMh a menos que se indique la carga a 1.5v y en CA. Si se intenta cargar las pilas alcalinas pueden dañarse o derramar líquidos internos.
Baterías de ácido plomo
El acumulador o batería de plomo, también denominada batería de ácido-plomo es un tipo de batería (batería húmeda) muy común en vehículos convencionales, como batería de arranque, aunque también se utilizan como batería de tracción de vehículos eléctricos. Suele proporcionar una tensión de 6 V, 12 V u otro múltiplo de 2, ya que la tensión que suministra cada celda es de 2 V. Pueden suministrar unas intensidades de corriente relativamente grandes, lo que las hacen ideales para los motores de arranque.
La batería está formada por un depósito de ácido sulfúrico y dentro de él un conjunto de placas de plomo, paralelas entre sí y dispuestas alternadamente en cuanto a su polaridad (positiva (+) y negativa (-). Para evitar la combadura de las placas positivas, se dispone una placa 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.
Baterías de níquel hierro (NI-FE)
La batería de níquel-hierro (batería de NiFe) es una batería recargable que tiene Óxido de níquel (III)-hidróxido en la placas positivas y hierro en las negativas, con un electrolito de hidróxido de potasio . Los materiales activos se mantienen en tubos de acero niquelados o bolsas perforadas. Es una batería muy robusta que es tolerante al abuso, (sobrecarga, descarga profunda y cortocircuitos) y puede tener muy larga vida, incluso tratada así. A menudo se utiliza en situaciones de copia de seguridad en las que se puede cargar de forma continua y puede durar más de 20 años. Debido a su bajo consumo de energía específica, mala retención de carga y el alto costo de producción, así como también la obsolescencia programada, otros tipos de baterías recargables han desplazado a la batería de níquel-hierro en la mayoría de las aplicaciones.
Baterías de níquel cadmio (NI-CD)
La batería de níquel-cadmio es una batería recargable de uso doméstico e industrial. Cada vez se usan menos (a favor de las baterías de NiMH) debido a su efecto memoria y al cadmio, que es muy contaminante. Sin embargo, poseen algunas ventajas sobre el NiMH, como por ejemplo los ciclos (1 ciclo = 1 carga y descarga) de carga, que oscilan entre los 1000 y 1500 ciclos (+ vida). En condiciones estándar, dan un potencial de 1,25 V (tensión de trabajo nominal 1,2 V).
Baterías de níquel-metal hidruro (Ni-MH)
Una pila o batería de níquel-metal hidruro o de níquel-hidruro metálico (Ni-MH) es un tipo de batería recargable que utiliza un ánodo de oxihidróxido de níquel (NiOOH), como en la batería de níquel cadmio, pero cuyo cátodo es de una aleación de hidruro metálico. Esto permite eliminar el cadmio, que es muy caro y, además, representa un peligro para el medio ambiente. Asimismo, posee una mayor capacidad de carga (entre dos y tres veces más que la de una pila de NiCd del mismo tamaño y peso) y un menor efecto memoria.
Baterías de iones de litio (LI-ION)
La batería de iones de litio, también denominada batería Li-Ion, es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito una sal de litio que consigue los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.Las propiedades de las baterías de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, junto con el poco efecto memoria que sufren o su capacidad para funcionar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido diseñar acumuladores ligeros, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados a las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo. Desde la primera comercialización de un acumulador basado en la tecnología Li-ion a principios de los años 1990, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, tabletas, ordenadores portátiles y altavoces inalámbricos.Sin embargo, su rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso explosión, requieren, en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de su uso a otras aplicaciones.
En 1989, Goodenough y Arumugam Manthiram de la Universidad de Texas en Austin demostraron que los cátodos que contienen polianiones (p. ej., sulfatos), producen tensiones superiores que los óxidos debido al efecto inductivo del polianión.
En 1991, Sony y Asahi Kasei lanzaron la primera batería de Li-ion comercial.
En 1996, Goodenough, Akshaya Padhi y sus colaboradores identificaron el litio ion fosfato (LiFePO4) y otros fosfo-olivinos (fosfatos de litio metal con la misma estructura que el olivino mineral) como materiales catódicos.
En 2002, Yet-Ming Chiang y su grupo del MIT mostraron una mejora sustancial en el rendimiento de las baterías de Li-ion aumentando la conductividad del material mediante dopado con aluminio, niobio y zirconio.
En 2004, Chiang incrementó de nuevo el rendimiento utilizando partículas de fosfato de hierro de menos de 100 nanómetros de diámetro.
En 2011, las baterías de Li-ion supusieron el 66% de todas las baterías recargables en Japón.
En 2015, la empresa Tesla Motors presentó dos sistemas de almacenamiento de energía mediante baterías de ion de litio, Tesla Powerwall, cuyo fin es almacenar energía eléctrica proveniente de energías renovables, como instalaciones fotovoltaicas o eólicas.
Baterías de polímero de litio (LIPo)
La batería de polímero de iones de litio, de ion de litio polímero o más comúnmente batería de polímero de litio
(abreviadamente Li-poli, Li-Pol, LiPo, LIP, PLI o LiP) son pilas
recargables (células de secundaria), compuestas generalmente de varias
células secundarias idénticas en paralelo para aumentar la capacidad de
la corriente de descarga, y están a menudo disponibles en serie de
"packs" para aumentar el voltaje total disponible.
Las baterías LiPo funcionan siguiendo el mismo principio que las baterías de iones de litio, el intercambio de electrones entre el material del electrodo negativo y el material del electrodo positivo mediante un medio conductor. Para evitar que los electrodos se toquen directamente, se coloca entre ellos un material con poros microscópicos que permite tan sólo los iones.
Las baterías LiPo se caracterizan por ser ligeras y por poder almacenar una gran cantidad de energía. Normalmente las baterías LiPo están compuestas por multitud de celdas. Cada celda tiene un voltaje máximo de entre 3,7 y 4,2V dependiendo de los materiales con los que se ha hecho la batería. Solo se pueden usar en sitios. en los que encajen en forma rectangular.
Baterías de grafeno
Actualmente existe una alternativa para las baterías. Consiste en el uso del grafeno a través de técnicas de filtrado e impresión, compatible para la combinación con diferentes materiales.El grafeno es una capa única y delgada de grafito. El grafito es un alótropo del carbono, lo que significa que posee los mismos átomos pero están dispuestos en forma hexagonal, lo que le da al material propiedades diferentes.
En las baterías de litio, la carga está ligada a iones que migran de un electrodo a otro. Como son pesados lo hacen con lentitud. En el grafeno, la migración de electrodos es mucho más rápida.
Las baterías de grafeno no han mostrado ningún signo de degradación, incluso después de 30 mil ciclos de carga completa. Tienen una duración media de carga veinte veces mayor que las baterías de litio.
La única desventaja que se puede destacar en este momento son los costes. Puede costar hasta 60 veces más que la de litio, pero dado el interés de la investigación de los últimos años es factible que sea más competitiva en un mediano plazo.
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