Baterías: tipos y funcionamiento

Baterías: tipos y funcionamiento

Las baterías son la fuente de energía más común para dispositivos portátiles básicos para aplicaciones industriales a gran escala. Una batería se puede definir como una combinación de una o más celdas electroquímicas que son capaces de convertir la energía química almacenada en energía eléctrica.

Batería

Funcionamiento de la batería:

Una batería es un dispositivo que consta de varias celdas voltaicas. Cada celda voltaica consta de dos medias celdas conectadas en serie por un electrolito conductor que contiene aniones e iones cat. Una media celda incluye el electrolito y el electrodo al que se mueven los aniones, es decir, el ánodo o electrodo negativo, la otra mitad de la celda incluye el electrolito y el electrodo al que se mueven los iones del catión, es decir, el cátodo o electrodo positivo.




En la reacción redox que alimenta la batería, se produce una reducción a los cationes en el cátodo, mientras que la oxidación se produce a los aniones en el ánodo. Los electrodos no se tocan entre sí, sino que están conectados eléctricamente por el electrolito. La mayoría de las medias celdas tienen diferentes electrolitos. A fin de cuentas, cada media celda está encerrada en un recipiente y un separador que es poroso a los iones, pero no la mayor parte de los electrolitos evita la mezcla.

Funcionamiento de la batería

Funcionamiento de la batería

Cada media celda tiene una fuerza electromotriz (Emf), determinada por su capacidad para conducir corriente eléctrica desde el interior hacia el exterior de la celda. La fem neta de la celda es la diferencia entre la fem de sus medias celdas. De esta manera, si los electrodos tienen fem, en otras palabras, la fem neta es la diferencia entre los potenciales de reducción de las semirreacciones.

¿Cómo mantener la batería?

Para mantener la batería en buenas condiciones, es necesaria la ecualización de la batería. Debido al envejecimiento, todas las celdas no se cargan de manera similar y algunas celdas aceptan la carga extremadamente rápido mientras que otras se cargan gradualmente. La ecualización se puede realizar sobrecargando ligeramente la batería para permitir que las celdas más débiles también se carguen por completo. El voltaje terminal de una batería completamente cargada es de 12 V, la batería de automóvil muestra 13,8 V en sus terminales, mientras que una batería tubular de 12 voltios muestra 14,8 V. La batería del automóvil debe fijarse firmemente en el vehículo para evitar sacudidas. La batería del inversor debe colocarse sobre una tabla de madera si es posible.

2 tipos de baterías

1) Baterías primarias:

Como su nombre lo indica, estas baterías están diseñadas para un solo uso. Una vez que se usan estas baterías, no se pueden recargar ya que los dispositivos no son fácilmente reversibles y los materiales activos pueden no volver a su forma original. Los fabricantes de baterías recomiendan no recargar las celdas primarias.


Algunos de los ejemplos de baterías desechables son las baterías AA, AAA normales que usamos en relojes de pared, control remoto de televisores, etc. Otro nombre para estas baterías es baterías desechables.

Tipos de batería

Tipos de batería

2) Baterías secundarias:

Las baterías secundarias también se denominan baterías recargables. Estas baterías se pueden usar y recargar simultáneamente. Por lo general, se ensamblan con materiales activos con activo en estado descargado. Las baterías recargables se recargan aplicando corriente eléctrica, que revierte las reacciones químicas que ocurren durante la descarga. Los cargadores son dispositivos que suministran la corriente necesaria.

Algunos ejemplos de estas baterías recargables son las que se utilizan en teléfonos móviles, reproductores de MP3, etc. Los dispositivos como audífonos y relojes de pulsera utilizan celdas en miniatura y en lugares como centrales telefónicas o centros de datos informáticos, se utilizan baterías más grandes.

Baterías secundarias

Baterías secundarias

Tipos de baterías secundarias (recargables):

SMF, ácido de plomo, Li y Nicd

Batería SMF:

SMF es un batería sellada libre de mantenimiento, diseñada para ofrecer energía confiable, consistente y de bajo mantenimiento para aplicaciones de UPS. Estas baterías pueden estar sujetas a aplicaciones de ciclo profundo y mantenimiento mínimo en áreas rurales y con déficit de energía. Estas baterías están disponibles a partir de 12V.

En el mundo informativo actual, no se puede pasar por alto el requisito de que los sistemas de baterías estén diseñados para recuperar datos e información calificados cruciales y ejecutar instrumentaciones básicas durante las duraciones deseadas. Se requieren baterías para entregar energía instantánea. Las baterías de mala calidad y poco fiables pueden provocar la pérdida de datos y el cierre de equipos, lo que puede costar a las empresas pérdidas económicas considerables. Posteriormente, los segmentos de UPS requieren la utilización de un sistema de batería confiable y probado.

Batería SMF

Batería SMF

Batería de litio (Li):

Todos lo usamos en dispositivos portátiles como teléfonos celulares, computadoras portátiles o herramientas eléctricas. La batería de litio ha sido uno de los mayores logros en energía portátil en la última década. Con el uso de baterías de litio, hemos podido pasar de los móviles en blanco y negro a los móviles en color con funciones adicionales como GPS, alertas por correo electrónico, etc. Dispositivos de potencial de densidad de energía para capacidades superiores. Y baterías de autodescarga relativamente bajas. Además, las celdas especiales pueden proporcionar una corriente muy alta a aplicaciones como herramientas eléctricas.

Batería de litio

Batería de litio

Batería de níquel cadmio (Nicd):

Las baterías de níquel-cadmio tienen la ventaja de recargarse muchas veces y poseen un potencial relativamente constante durante la descarga y tienen más capacidad de resistencia eléctrica y física. Esta batería utiliza óxido de níquel como cátodo, un compuesto de cadmio para el ánodo y una solución de hidróxido de potasio como electrolito.

Batería Nicd

Cuando se carga la batería, la composición química del cátodo se transforma y el hidróxido de níquel cambia a NIOOH. En el ánodo, la formación de iones de cadmio tiene lugar a partir de hidróxido de cadmio. Cuando se descarga la batería, el cadmio reacciona con NiOOH para formar hidróxido de níquel e hidróxido de cadmio.

Cd + 2H2O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2

Batería de ácido sólido:

Las baterías de plomo ácido se utilizan ampliamente en automóviles, inversores, sistemas de energía de respaldo, etc. A diferencia de las baterías tubulares y sin mantenimiento, las baterías de plomo ácido requieren un cuidado y mantenimiento adecuados para prolongar su vida útil. La batería de plomo ácido consta de una serie de placas que se mantienen sumergidas en una solución de ácido sulfúrico. Las placas tienen rejillas sobre las que se fija el material activo. Las placas se dividen en placas positivas y negativas. Las placas positivas contienen plomo puro como material activo, mientras que las placas negativas contienen óxido de plomo.

Batería de ácido sólido

Batería de ácido sólido

Una batería completamente cargada puede descargar su corriente cuando se conecta a una carga. Durante el proceso de descarga, el ácido sulfúrico se combina con los materiales activos en las placas positivas y negativas dando como resultado la formación de sulfato de plomo. El agua es el paso más importante en el mantenimiento de una batería de plomo ácido. La frecuencia del agua depende del uso, el método de carga y la temperatura de funcionamiento. Durante el proceso, los átomos de hidrógeno del ácido sulfúrico reaccionan con el oxígeno para formar agua.

Esto da como resultado la liberación de electrones de las placas positivas que serán aceptadas por las placas negativas. Esto conduce a la formación de un potencial eléctrico a través de la batería. El electrolito de la batería de plomo ácido es una mezcla de ácido sulfúrico y agua que tiene un peso específico. La gravedad específica es el peso de la mezcla ácido-agua en comparación con un volumen igual de agua. La gravedad específica del agua pura libre de iones es 1.

Las baterías de plomo-ácido proporcionan el mejor valor de potencia y energía por kilovatio-hora, tienen el ciclo de vida más largo y una gran ventaja medioambiental, ya que se reciclan a un ritmo extraordinariamente alto. Ninguna otra química puede tocar la infraestructura que existe para recolectar, transportar y reciclar baterías de plomo-ácido.

Junto con este artículo, se analiza la batería de iones de litio con sus ventajas y desventajas.

Funcionamiento de la batería de iones de litio

Batería de iones de litio

Las baterías de iones de litio son ahora populares en la mayoría de dispositivos portátiles electrónicos como teléfonos móviles, computadoras portátiles, cámaras digitales, etc. debido a su eficiencia energética de larga duración. Estas son las baterías recargables más populares con ventajas como la mejor densidad de energía, pérdida de carga insignificante y ningún efecto de memoria. La batería de iones de litio utiliza iones de litio como portadores de carga que se mueven del electrodo negativo al electrodo positivo durante la descarga y viceversa durante la carga. Durante la carga, la corriente externa del cargador aplica una sobretensión que la de la batería. Esto fuerza a que la corriente pase en la dirección inversa del electrodo positivo al negativo donde los iones de litio se incrustan en el material poroso del electrodo a través de un proceso llamado Intercalación. Los Li-Iones pasan a través del electrolito no acuoso y un diafragma separador. El material del electrodo es un compuesto de litio intercalado.

El electrodo negativo de la batería de Li-Ion está hecho de carbono y el electrodo positivo es un óxido metálico. El material más comúnmente utilizado en el electrodo negativo es el grafito, mientras que en el electrodo positivo puede ser óxido de cobalto de litio, fosfato de iones de litio u óxido de manganeso y litio. Como electrolito se utiliza sal de litio en un disolvente orgánico. El electrolito es típicamente una mezcla de carbonatos orgánicos como carbonato de etileno o carbonato de dietilo que contiene iones de litio. El electrolito utiliza sales de aniones como hexafluorofosfato de litio, hexafluoroarseniato de litio monohidrato, perclorato de litio, hexafluoroborato de litio, etc. Dependiendo de la sal utilizada, el voltaje, la capacidad y la vida útil de la batería varían. El litio puro reacciona vigorosamente con el agua para formar hidróxido de litio e iones de hidrógeno. Por tanto, el electrolito utilizado es un disolvente orgánico no acuoso. El papel electroquímico de la carga de los electrodos entre el ánodo y el cátodo depende de la dirección del flujo de corriente.

Reacción de la batería de iones de litio

Reacción de la batería de iones de litio

En la batería Li-Ion, ambos electrodos pueden aceptar y liberar iones de litio. Durante el proceso de intercalación, los iones de litio se mueven hacia el electrodo. Durante el proceso inverso llamado desintercalación, los iones de litio retroceden. Durante la descarga, los iones de litio positivos se extraerán de los electrodos negativos y se insertarán en el electrodo positivo. Durante el proceso de carga, tiene lugar el movimiento inverso de los iones de litio.

Ventajas de la batería de iones de litio:

Las baterías de iones de litio superan a las de NiCd y otras baterías secundarias. Algunas de las ventajas son

  • Peso ligero en comparación con otras baterías de tamaño similar
  • Disponible en diferentes formas, incluida la forma plana
  • Alto voltaje de circuito abierto que aumenta la transferencia de potencia a baja corriente
  • Falta de efecto memoria.
  • Tasa de autodescarga muy baja del 5-10% por mes. La autodescarga es de alrededor del 30% en baterías de NiCd y NiMh.
  • Batería ecológica sin ningún metal de litio libre

Pero junto con las ventajas, como otras baterías, la batería de Li-Ion también adolece de algunas desventajas.

Desventajas de la batería de iones de litio:

  • Los depósitos dentro del electrolito con el tiempo inhibirán el flujo de carga. Esto aumenta la resistencia interna de la batería y la capacidad de la celda para suministrar corriente disminuye gradualmente.
  • La carga alta y la temperatura alta pueden provocar una pérdida de capacidad
  • Cuando se sobrecalienta, la batería de iones de litio puede sufrir una fuga térmica y la ruptura de la celda.
  • Una descarga profunda puede provocar un cortocircuito en la batería de iones de litio. Entonces, para evitar esto, algunas marcas tienen un circuito de apagado interno que apaga la batería cuando su voltaje está por encima del nivel seguro de 3 a 4,2 voltios. En este caso, cuando la batería no se usa durante mucho tiempo, los circuitos internos consumirán energía y agotarán la batería por debajo de su voltaje de apagado. Entonces, para cargar tales baterías, los cargadores normales no son útiles.