Diferentes tipos de baterías y sus aplicaciones.

Una batería es una colección de una o más celdas que sufren reacciones químicas para crear el flujo de electrones dentro de un circuito. Se están realizando muchas investigaciones y avances en la tecnología de baterías y, como resultado, actualmente se están experimentando y utilizando tecnologías innovadoras en todo el mundo. Las baterías entraron en juego por la necesidad de almacenar energía eléctrica generada. Por mucho que se generara una buena cantidad de energía, era importante almacenar la energía para que se pueda usar cuando la generación esté inactiva o cuando sea necesario alimentar dispositivos independientes que no se puedan mantener atados al suministro de la red. Aquí debe tenerse en cuenta que solo se puede almacenar CC en las baterías, no se puede almacenar corriente CA.

Las celdas de batería suelen estar formadas por tres componentes principales;

El ánodo (electrodo negativo)
El cátodo (electrodo positivo)
Los electrolitos

El ánodo es un electrodo negativo que produce electrones al circuito externo al que está conectada la batería. Cuando las baterías están conectadas, se inicia una acumulación de electrones en el ánodo que causa una diferencia de potencial entre los dos electrodos. Los electrones naturalmente intentan redistribuirse, esto es impedido por el electrolito, por lo que cuando se conecta un circuito eléctrico, proporciona un camino despejado para que los electrones se muevan del ánodo al cátodo, alimentando así el circuito al que está conectado. Al cambiar la disposición y el material utilizado para construir el ánodo, cátodo y electrolito, podemos lograr muchos tipos diferentes de químicas de batería, lo que nos permite diseñar diferentes tipos de celdas de batería. En este artículo entendamos los diferentes tipos de baterías y sus usos., entonces empecemos.

Tipos de baterías

Las baterías generalmente se pueden clasificar en diferentes categorías y tipos, que van desde la composición química, el tamaño, el factor de forma y los casos de uso, pero bajo todos estos hay dos tipos principales de baterías;

Baterías primarias
Baterías secundarias

Echemos un vistazo más profundo para comprender las principales diferencias entre una celda Primacy y una celda secundaria.

1. Baterías primarias

Las baterías primarias son baterías que no se pueden recargar una vez que se agotan. Las baterías primarias están hechas de celdas electroquímicas cuya reacción electroquímica no se puede revertir.

Las baterías primarias existen en diferentes formas que van desde pilas de botón hasta baterías AA. Se utilizan comúnmente en aplicaciones independientes donde la carga es impráctica o imposible. Un buen ejemplo de ello son los dispositivos de grado militar y los equipos que funcionan con baterías. No será práctico utilizar baterías recargables, ya que recargar una batería será lo último en la mente de los soldados. Las baterías primarias siempre tienen una alta energía específica y los sistemas en los que se utilizan siempre están diseñados para consumir poca cantidad de energía para permitir que la batería dure el mayor tiempo posible.

Algunos otros ejemplos de dispositivos que utilizan baterías primarias incluyen; Marcapasos, rastreadores de animales, relojes de pulsera, controles remotos y juguetes para niños, por mencionar algunos.

El tipo más popular de baterías primarias son las alcalinas. Tienen una alta energía específica y son respetuosos con el medio ambiente, rentables y no tienen fugas incluso cuando están completamente descargados. Se pueden almacenar durante varios años, tienen un buen historial de seguridad y se pueden transportar en un avión sin estar sujetos a las regulaciones de transporte de las Naciones Unidas y otras. El único inconveniente de las baterías alcalinas es la baja corriente de carga, que limita su uso a dispositivos con bajos requisitos de corriente como controles remotos, linternas y dispositivos portátiles de entretenimiento.

2. Baterías secundarias

Las baterías secundarias son baterías con celdas electroquímicas cuyas reacciones químicas se pueden revertir aplicando un cierto voltaje a la batería en la dirección inversa. También conocidas como baterías recargables, las celdas secundarias, a diferencia de las primarias, se pueden recargar después de que se haya agotado la energía de la batería.

Por lo general, se utilizan en aplicaciones de alto consumo y otros escenarios en los que será demasiado caro o impracticable utilizar baterías de carga única. Las baterías secundarias de pequeña capacidad se utilizan para alimentar dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles y otros dispositivos y electrodomésticos, mientras que las baterías de servicio pesado se utilizan para alimentar diversos vehículos eléctricos y otras aplicaciones de alto consumo como la nivelación de carga en la generación de electricidad. También se utilizan como fuentes de energía independientes junto con los inversores para suministrar electricidad.. Aunque el costo inicial de adquirir baterías recargables es siempre mucho más alto que el de las baterías primarias, son las más rentables a largo plazo.

Las baterías secundarias pueden clasificarse además en varios otros tipos según su química . Esto es muy importante porque la química determina algunos de los atributos de la batería, incluida su energía específica, ciclo de vida, vida útil y precio, por mencionar algunos.

Los siguientes son los diferentes tipos de baterías recargables que se utilizan comúnmente.

Iones de litio (Li-ion)
Níquel cadmio (Ni-Cd)
Hidruro de níquel-metal (Ni-MH)
Plomo-ácido

1. Baterías de níquel-cadmio

La batería de níquel-cadmio (batería de NiCd o batería de NiCad) es un tipo de batería recargable que se desarrolla utilizando hidróxido de óxido de níquel y cadmio metálico como electrodos. Las baterías de Ni-Cd son excelentes para mantener el voltaje y mantener la carga cuando no se usan. Sin embargo, las baterías NI-Cd fácilmente son víctimas del temido efecto de “memoria” cuando se recarga una batería parcialmente cargada, lo que reduce la capacidad futura de la batería.

En comparación con otros tipos de pilas recargables, las baterías de Ni-Cd ofrecen un buen ciclo de vida y rendimiento a bajas temperaturas con una capacidad justa, pero su ventaja más significativa será su capacidad para entregar su capacidad nominal completa a altas tasas de descarga. Están disponibles en diferentes tamaños, incluidos los tamaños utilizados para las pilas alcalinas, AAA a D. Las pilas de Ni-Cd se utilizan individualmente o ensambladas en paquetes de dos o más pilas. Los paquetes pequeños se utilizan en dispositivos portátiles, electrónicos y juguetes, mientras que los más grandes encuentran aplicación en baterías de arranque de aviones, vehículos eléctricos y suministro de energía de reserva.

Algunas de las propiedades de las baterías de níquel-cadmio se enumeran a continuación.

Energía específica: 40-60W-h / kg
Densidad de energía: 50-150 Wh / L
Potencia específica: 150 W / kg
Eficiencia de carga / descarga: 70-90%
Tasa de autodescarga: 10% / mes
Durabilidad / vida del ciclo: 2000 ciclos

2. Baterías de hidruro metálico de níquel

El hidruro metálico de níquel (Ni-MH) es otro tipo de configuración química que se utiliza para las baterías recargables. La reacción química en el electrodo positivo de las baterías es similar a la de la celda de níquel-cadmio (NiCd), y ambos tipos de batería utilizan el mismo hidróxido de óxido de níquel (NiOOH). Sin embargo, los electrodos negativos en níquel-hidruro metálico utilizan una aleación que absorbe hidrógeno en lugar del cadmio que se utiliza en las baterías de NiCd.

Las baterías de NiMH encuentran aplicación en dispositivos de alto consumo debido a su alta capacidad y densidad de energía. Una batería de NiMH puede poseer de dos a tres veces la capacidad de una batería de NiCd del mismo tamaño, y su densidad de energía puede acercarse a la de una batería de iones de litio. A diferencia de la química de NiCd, las baterías basadas en la química de NiMH no son susceptibles al efecto de "memoria" que experimentan las NiCads.

A continuación se muestran algunas de las propiedades de las baterías basadas en la química del hidruro metálico de níquel;

Energía específica: 60-120h / kg
Densidad de energía: 140-300 Wh / L
Potencia específica: 250-1000 W / kg
Eficiencia de carga / descarga: 66% - 92%
Tasa de autodescarga: 1.3-2.9% / mes a 20 ^o C
Durabilidad / vida del ciclo: 180-2000

3. Baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio son uno de los tipos más populares de baterías recargables. Hay muchos tipos diferentes de baterías de litio, pero entre todas las baterías de iones de litio son las más utilizadas. Puede encontrar que estas baterías de litio se utilizan en diferentes formas, popularmente entre los vehículos eléctricos y otros dispositivos portátiles. Si tiene curiosidad por saber más sobre las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos, puede consultar este artículo sobre Baterías de vehículos eléctricos. Se encuentran en diferentes dispositivos portátiles, incluidos teléfonos móviles, dispositivos inteligentes y varios otros dispositivos de batería utilizados en el hogar. También encuentran aplicaciones en aplicaciones aeroespaciales y militares debido a su naturaleza ligera.

Las baterías de iones de litio son un tipo de batería recargable en la que los iones de litio del electrodo negativo migran al electrodo positivo durante la descarga y regresan al electrodo negativo cuando se carga la batería. Las baterías de iones de litio utilizan un compuesto de litio intercalado como un material de electrodo, en comparación con el litio metálico utilizado en las baterías de litio no recargables.

Las baterías de iones de litio generalmente poseen una alta densidad de energía, poco o ningún efecto de memoria y baja autodescarga en comparación con otros tipos de baterías. Su química junto con el rendimiento y el costo varían según los diferentes casos de uso, por ejemplo, las baterías de iones de litio que se usan en dispositivos electrónicos portátiles generalmente se basan en óxido de cobalto de litio (LiCoO ₂) que proporciona una alta densidad de energía y bajos riesgos de seguridad cuando se dañan mientras se encuentran Las baterías a base de fosfato de litio y hierro que ofrecen una densidad de energía más baja son más seguras debido a una menor probabilidad de que ocurran eventos desafortunados y se utilizan ampliamente para alimentar herramientas eléctricas y equipos médicos. Las baterías de iones de litio ofrecen la mejor relación rendimiento / peso, mientras que la batería de litio y azufre ofrece la relación más alta.

Algunos de los atributos de las baterías de iones de litio se enumeran a continuación;

Energía específica: 100: 265W-h / kg
Densidad de energía: 250: 693 Wh / L
Potencia específica: 250: 340 W / kg
Porcentaje de carga / descarga: 80-90%
Durabilidad del ciclo: 400: 1200 ciclos
Voltaje nominal de la celda: NMC 3.6 / 3.85V

4. Baterías de plomo-ácido

Las baterías de plomo-ácido son un caballo de batalla de energía confiable y de bajo costo que se usa en aplicaciones de servicio pesado. Suelen ser muy grandes y, debido a su peso, siempre se utilizan en aplicaciones no portátiles, como almacenamiento de energía de paneles solares, encendido y luces de vehículos, energía de respaldo y nivelación de carga en la generación / distribución de energía. El plomo-ácido es el tipo más antiguo de batería recargable y sigue siendo muy relevante e importante en el mundo actual. Las baterías de plomo-ácido tienen una relación energía / volumen y peso / energía muy baja, pero tienen una relación peso / potencia relativamente grande y, como resultado, pueden suministrar grandes sobrecorrientes cuando sea necesario. Estos atributos, junto con su bajo costo, hacen que estas baterías sean atractivas para su uso en varias aplicaciones de alta corriente, como la alimentación de motores de arranque de automóviles y para el almacenamiento en fuentes de alimentación de respaldo.También puede consultar el artículo sobre el funcionamiento de las baterías de plomo ácido si desea obtener más información sobre los diferentes tipos de baterías de plomo-ácido, su construcción y aplicaciones.

Cada una de estas baterías tiene su área de mejor ajuste y la imagen a continuación es para ayudar a elegir entre ellas.

Seleccionar la batería adecuada para su aplicación

Uno de los principales problemas que obstaculizan las revoluciones tecnológicas como IoT es la energía, la duración de la batería afecta el despliegue exitoso de dispositivos que requieren una batería de larga duración y, aunque se están adoptando varias técnicas de administración de energía para hacer que la batería dure más, aún se debe seleccionar una batería compatible. para lograr el resultado deseado.

A continuación, se muestran algunos factores a considerar al seleccionar el tipo de batería adecuado para su proyecto.

1. Densidad de energía: La densidad de energía es la cantidad total de energía que se puede almacenar por unidad de masa o volumen. Esto determina cuánto tiempo permanece encendido el dispositivo antes de que necesite una recarga.

2. Densidad de potencia: Tasa máxima de descarga de energía por unidad de masa o volumen. Bajo consumo: portátil, i-pod. Alta potencia: herramientas eléctricas.

3. Seguridad: Es importante considerar la temperatura a la que funcionará el dispositivo que está construyendo. A altas temperaturas, ciertos componentes de la batería se descomponen y pueden sufrir reacciones exotérmicas. Las altas temperaturas generalmente reducen el rendimiento de la mayoría de las baterías.

4. Durabilidad del ciclo de vida: la estabilidad de la densidad de energía y la densidad de potencia de una batería con ciclos repetidos (carga y descarga) es necesaria para la larga duración de la batería que requieren la mayoría de las aplicaciones.

5. Costo: El costo es una parte importante de las decisiones de ingeniería que tomará. Es importante que el costo de su elección de batería sea proporcional a su rendimiento y no aumente el costo general del proyecto de manera anormal.