Elementos primarios de las baterías
Elementos secundarios de las baterías
Manipulación de baterías de Li
Actualmente predominan los elementos secos, en los que el electrolito ya no es líquido, si no que se ha aglutinado en un gel de electrolito. (se habla también de electrolito "inmovilizado")
ELEMENTOS PRIMARIOS DE LAS BATERÍAS
Cinc-Carbón
La clásica batería de cinc-carbón sigue siendo una alternativa económica
frente a la batería de álcali-manganeso o la de acumuladores. Sin embargo.
poco a poco los crecientes requisitos de capacidad y entrega de potencia van
desplazando a este tipo de baterías. El elemento de cinc-carbón está formado
por un electrodo de carbón con un recubrimiento de peróxido de manganeso (MnO2).
que absorbe el hidrógeno que pueda aparecer. Como electrolito se utiliza una
solución de sal de amoníaco espesada. Un vaso de cinc forma el electrodo
negativo. Durante la descarga se disuelve paulatinamente este revestimiento de
cinc, de tal forma que en una batería vacía cabe la posibilidad de que se
salga electrolito. Se obtiene una mayor capacidad con el sistema de
cinc-cloruro. que es una variación de la ya descrita batería de cinc-carbón.
Cinc-Aire
En las baterías de este tipo reacciona oxígeno, el cual puede entrar en el
elemento a través de unas pequeñas aberturas, con un cátodo catalítico y un
ánodo de cinc. Gracias a que tiene un cátodo muy estrecho se dispone de
relativamente mucho espacio para el material del ánodo. Por medio de esto, las
baterías de cinc-aire obtienen una capacidad de los elementos relativamente
elevada. En el campo de las aplicaciones de consumo representan la densidad
energética más elevada, por ejemplo en audífonos, en donde son importantes
las dimensiones más pequeñas, unas elevadas capacidades y una característica
de descarga plana. Los elementos de cinc-aire tienen una elevada resistencia óhmica
y por ello son adecuados para aplicaciones con las mínimas corrientes de carga.
El elemento se activa extrayendo el sello de obturación a través de las
aberturas de entrada de aire. En estado sellado, las baterías de cinc-aire
pueden almacenarse durante un tiempo casi indefinido.
Mercurio
En muchas baterías comerciales se ha podido reducir el contenido en
mercurio hasta el límite de comprobación -no así en las pilas de botón, que
a pesar de sus mínimas dimensiones deben poseer una estabilidad de tensión,
una elevada densidad energética y un rendimiento excepcional. Los sistemas de
mercurio se han conformado a partir de un par de óxidos de cinc/mercurio.
Entregan unas tensiones de funcionamiento estables de entre 1,35 y 1,4 V por
elemento. A temperatura ambiente, estas pilas (de botón) tampoco pierden un
valor importante de su capacidad si se las almacena durante largos períodos de
tiempo: después de un año y medio a 20ºC, su capacidad sigue
siendo el 95% de su valor inicial.
Oxido de plata
En los sistemas de óxido de plata lo más característico es una curva de
descarga muy plana. Las pilas disponibles en forma de elementos de botón tienen
una tensión nominal de 1,5 V y se utilizan sobre todo en relojes de pulsera de
cuarzo y en el campo de la fotografía. A temperaturas ambiente, estas baterías
pueden almacenarse hasta dos años.
Dióxido de litio-manganeso
El metal ligero litio juega un papel cada vez mayor en la fabricación de
baterías y acumuladores, ya que entrega una tensión tres o cuatro veces mayor
de lo que es posible con otros materiales. Al principio sólo existían baterías
de litio como elementos primarios. Fue en 1993 cuando se dio, con los
acumuladores ligeros de iones de litio en Camcorder, el salto al campo de los
elementos secundarios. En los elementos primarios de LiMnO2 se
combina un ánodo de litio con un cátodo de dióxido de manganeso. Este
elemento se ha conformado totalmente sin agua, porque el electrolito se ha
disuelto en una sustancia orgánica. Como consecuencia de ello, en estos
elementos tampoco se produce hidrógeno. La salida de corriente de los elementos
de LiMnO2 se sitúa en el margen situado entre unos pocos mA y varios
cientos de mA. Por ello se emplean en unas aplicaciones, en las que circulan
unas corrientes de carga muy escasas, a las que sin embargo se superponen unos
impulsos de corriente mayores.
Níquel-Cadmio
El elemento secundario más conocido, junto con el acumulador de plomo, es
el acumulador de níquel-cadmio (NiCd). Con él nos encontramos casi a diario,
por ejemplo en máquinas de afeitar, al trabajar con destornilladores de
acumuladores o en la electrónica comercial. Los acumuladores de NiCd, que
tienen una tensión nominal de 1,24 V, se emplean también habitualmente como
sustitutos de las baterías comerciales de cinc-carbón o álcali-manganeso en
el sector de los electrodomésticos o de los hobbys. Los acumuladores de NiCd
están formados por un electrodo positivo de láminas sinterizadas o de espuma
metálica, que se combina con un electrodo negativo de electrodepósito. Estos
electrodos altamente porosos se han bobinado en elementos redondos con forma de
espiral, formando una potasa cáustica el electrolito del elemento.
Las ventajas especiales del acumulador de NiCd estriban en su reducida
resistencia interior. su capacidad de carga rápida y una característica plana
de descarga. que encuentra aplicación especialmente en las herramientas
alimentadas por acumuladores con unas potencias elevadas. Sin embargo, también
existen inconvenientes como una auto-descarga relativamente elevada y unos
mayores costes de adquisición en relación a los sistemas de plomo. Aparte de
esto, en los acumuladores de NiCd puede producirse un efecto Memory, que reduce
por ello la capacidad así como su rendimiento. La causa de este efecto Memory
son unas constantes descargas parciales o bien unas prolongadas pausas de
utilización (auto-descarga) con una carga que se conecta directamente (es
decir, sin una descarga completa). En ambos casos cristaliza el electrolito en
los electrodos y con esto impide el flujo de electrones en el elemento. Puede
eliminarse este efecto mediante la descarga del acumulador, hasta una tensión
final de descarga de 0,9 V, y una ulterior carga. El acumulador vuelve a
recuperar de esta manera su plena capacidad. Un aparato de carga con un
dispositivo incorporado de descarga puede evitar eficazmente el efecto Memory,
de tal forma que en la actualidad pueden obtenerse ya 1.000 ciclos de carga o más.
En cualquier caso, los acumuladores de NiCd no deben descargarse hasta por
debajo de la tensión final de descarga.
El proceso de carga tiene lugar con una corriente constante, que puede ser, según
el procedimiento de carga desde 1/10 de la capacidad nominal hasta el doble de
la capacidad nominal. Dependiendo de esto, el tiempo de carga puede oscilar
entre 14 y 16 horas y aprox. media hora. Para prevenir daños al acumulador, el
proceso de carga debe finalizar con una tensión final de carga de 14,7 V (a 20ºC).
Para este proceso de regulación la temperatura del elemento es un parámetro
importante. Si se supera la tensión final de carga, el acumulador empieza a
desprender gases. Una válvula de sobrepresión con auto-cierre impide que se
produzca una sobrepresión inadmisible en el elemento y con ello que exista
riesgo de explosiones. Tampoco es despreciable la auto-descarga dependiente de
la temperatura del acumulador de NiCd: con un tiempo de almacenamiento de tan
solo tres meses se pierde aprox. el 30% de la carga.
Hidruro metálico de níquel
Los acumuladores metálicos de níquel (NiMH). desarrollados hace pocos años,
se diferencian de los acumuladores de NiCd esencialmente en que no poseen
metales pesados tóxicos como plomo, cadmio o mercurio. En lugar de ellos se
encuentran otros metales de la gama de las tierras raras: el cadmio en el
electrodo negativo se sustituye aquí por una aleación metálica de níquel-titanio
o niquel-lantanio. Estas aleaciones son excepcionalmente buenas para almacenar
hidrógeno sin presión. Por medio de esto se obtiene una capacidad casi un 80%
superior, en comparación con los sistemas de NiCd. A causa de su estructura, en
los elementos de NiMH no se produce ningún efecto Memory. Al tener una tensión
de elemento de 1,2 V son compatibles con los elementos de NiCd. La densidad de
energía de los acumuladores de NiMH está situada aprox. en 55 Wh/kg - el doble
del valor correspondiente para los elementos de NiCd. Los elementos de hidruro
metálico de níquel pueden además almacenarse durante un tiempo mayor y
soportan procesos de carga rápida. Como inconveniente debe tenerse en cuenta.
que muestran una auto-descarga más elevada, son más sensibles frente a la
sobrecarga y poseen una resistencia interior superior.
Ácido de plomo / Gel de plomo
Durante el proceso de carga se descompone agua en el acumulador de plomo y
se "pierde" para el proceso electroquímico. La pérdida de agua que
se produce debe compensarse, ya que la difusión de oxígeno en ácido sulfúrico
es muy reducida y, por ello, en los acumuladores de plomo convencionales no se
produce ninguna recombinación. Algo diferente sucede en los acumuladores de gel
de plomo: en estos se inmoviliza el electrolito en un gel de ácido sulfúrico,
agua y SiO2 y, con ello, queda encerrado fijamente en la carcasa del
acumulador. Cada elemento dispone de una válvula, que deja salir al exterior el
gas de hidrógeno que se produce. Al mismo tiempo no puede entrar oxígeno en el
elemento desde el exterior. En un acumulador cerrado de gel de plomo, la
descomposición del agua casi se compensa mediante la recombinación del oxigeno
en la placa negativa. Para ello se forman unos canales, a través de los cuales
puede llegar sin problemas hasta la placa positiva cl oxígeno, formado en la
placa negativa. La pérdida de agua es aquí tan reducida. que no se limita la
vida útil del sistema.
Los acumuladores de gel de plomo se cargan con una tensión constante, para
evitar un escape de gases y con ello daños al acumulador. La corriente de carga
se ajustan automáticamente al estado de carga del acumulador. La tensión
nominal de un acumulador de plomo se obtiene de la cantidad de elementos,
multiplicada por la tensión nominal de 2 V por elemento. Los inconvenientes del
acumulador de plomo residen en su muy elevado peso, así como en un peor
comportamiento capacitivo y de corriente de descarga. Sin embargo, su precio
económico en muchos casos vuelve a compensarlo. Entre las aplicaciones de los
acumuladores de plomo se encuentran por ejemplo las baterías de arranque, las
fuentes de alimentación de corriente de emergencia y las iluminaciones de
centros de trabajo. Los acumuladores de gel de plomo pueden encontrarse entre
otros sitios, allí en donde se precisa un funcionamiento independiente de la
posición y en donde es deseable como ventaja su reducida auto-descarga.
Iones de litio
Los elementos primarios de iones de litio, que contienen el metal alcalino
no tóxico litio, existen desde hace ya varios años. Su electrodo positivo está
formado por un carbono con contenido de grafito, en el que se separan iones de
litio durante la carga. Por el contrario, el acumulador de iones de litio no se
ha extendido hasta hace relativamente poco. Estos contienen una unión de
litio-cobalto (en el futuro es posible que exista también una unión de
litio-manganeso más económica). Debido a que el litio se encuentra en el
extremo superior de La gama de tensiones electro-química, los acumuladores de
litio entregan una tensión nominal superior a otros sistemas. Al mismo tiempo,
el litio es un elemento muy ligero, de tal forma que con un peso y volumen del
acumulador muy reducidos se obtiene una elevada densidad energética de aprox.
100 Wh/kg. Aparte de esto, entre sus ventajas se encuentran una auto-descarga
reducida. Son posibles unos tiempos de almacenamiento de algunos años sin pérdidas
de capacidad. Los elementos de iones de litio pueden cargarse con rapidez y no
muestran ningún efecto Memory. Su tensión de elementos es tan elevada con 3,6
- 3,8 V, que en muchas aplicaciones basta con un solo elemento. Se dispone de
unas densidades energéticas aún más elevadas, en los acumuladores que
contienen litio en forma metálica (no como una sal). Estos acumuladores de
nuevo desarrollo se descargan además de una forma relativamente constante
durante todo su tiempo de descarga.
Álcali-manganeso
El elemento de álcali-manganeso es fundamentalmente una batería primaria.
Sin embargo, desde hace unos tres años existen elementos de álcali-manganeso
que pueden recargarse. Al igual que en el elemento primario, también en este
acumulador se utiliza como electrolito el hidróxido potásico. E1 ánodo está
formado por un núcleo de gel con polvo de cinc disuelto. Para el cátodo se
utiliza una capa de dióxido de manganeso y grafito. En cuanto a sus características
de descarga, el elemento secundario de álcali-manganeso es similar al elemento
primario. La capacidad de los sistemas de acumuladores se corresponde con la de
los elementos de NiMH. Los elementos no contienen ningún metal pesado tóxico y
no presentan efectos Memory: pueden recargarse en cualquier momento de la
descarga sin problemas y no precisan cargarse antes de la puesta en marcha. Su
auto-descarga es extremadamente reducida. Sin embargo, en los elementos de álcali-manganeso
no puede producirse una carga rápida.
Se dice que un acumulador está dotado de "inteligencia" (como indica la palabra "smart") cuando dispone de un microchip. En este chip se han archivado datos técnicos e indicaciones para un proceso de carga óptimo. También aquí puede consultarse en cada momento la situación de carga, así como el tiempo de funcionamiento que le queda al acumulador antes de la carga siguiente. Otra información puede afectar al tiempo de carga y a un conteo de los ciclos de carga que ya se han producido. Una ventaja esencial de las nuevas tecnologías estriba en que, gracias a la información almacenada, los acumuladores de diferentes fabricantes pueden cargarse sin problemas en un único aparato de carga. Los fabricantes Duracell e Intel determinaron en 1994 las especificaciones para las "baterías smart".
MANIPULACIÓN DE BATERÍAS DE Li
Las baterías de litio (LiBs) reaccionan ante una manipulación inadecuada con una menor vida útil, por lo que aquí se ofrecen algunas indicaciones prácticas -en parte ya de uso común.
Montaje
• Debido a que el polvo y los cuerpos extraños pueden influir en los
aislamientos de los electrodos, es importante que exista un entorno limpio para
manipular los LiBs.
• Los lugares en los que puedan existir temperaturas elevadas, no son
adecuados para el montaje de LiBs.
• Las baterías no deben colocarse sobre superficies conductoras, ya que en
caso contrario existe el riesgo de que se produzcan cortocircuitos (véase a
continuación). Si se coloca una placa conductora con una batería montada sobre
una estera de espuma antiestática, se crea un circuito de descarga, que reduce
la capacidad de la batería.
Cortocircuitos
• Después de un cortocircuito transitorio (por descuido), las LiBs
necesitan tiempo, para recuperar su tensión de marcha en vacío. Aparte de
esto, los cortocircuitos pueden reducir su capacidad eléctrica. En
consecuencia, las LiBs sólo deben cortocircuitarse cuando sea imprescindible,
por ejemplo durante una soldadura por inmersión.
• Las pruebas de tensión son difíciles. En donde sean necesarios, los
medidores de tensión deben usarse con una resistencia de al menos 10 MOhm .