Fuentes de AlimentaciónBaterías / PilasCorriente Continua

Se denomina batería o acumulador al dispositivo capaz de almacenar electricidad en forma de energía química y, posteriormente, usando procedimientos electroquímicos, producir energía eléctrica. Este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente, mediante lo que se denomina proceso de carga.

Las baterías, a diferencia de las pilas, son recargables, aunque según países y contextos los términos pueden intercambiarse o confundirse.

Definición

Términos El término pila, se refiere a los generadores de electricidad

basados en procesos químicos no reversibles, o acumuladores de energía eléctrica no recargables; mientras que el término batería se refiere a los dispositivos electroquímicos semi reversibles, o acumuladores de energía eléctrica que sí se pueden recargar.

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, lateralmente, «en batería», como se sigue haciendo actualmente.

El término acumulador se aplica indistintamente a uno u otro tipo, así como a los capacitores eléctricos, siendo de este modo un término neutro capaz de englobar y describir a todos ellos.

Principios de Funcionamiento El principio de funcionamiento de un acumulador está basado

esencialmente en un proceso químico reversible llamado reducción-oxidación, en el cual uno de los componentes se oxida (pierde electrones) y el otro se reduce (gana electrones); es decir, un proceso cuyos componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que meramente cambian su estado de oxidación y, que a su vez pueden retornar a su estado original 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.

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.

HistoriaEl 20 de marzo de 1800, Alessandro Volta comunica su invento de la pila, que actualmente lleva su nombre, a la Royal Society of London. Tres años después, se construyó su acumulador eléctrico. Como muchos otros que le siguieron, era un prototipo teórico y experimental, sin posible aplicación práctica.

A finales del siglo XIX, sin embargo, la electricidad se iba convirtiendo rápidamente en artículo cotidiano, de modo que comenzó a fabricarse y ser utilizado casi inmediatamente, iniciándose un intenso y continuo proceso de desarrollo para perfeccionarlo y evitar sus deficiencias, proceso que aún continúa.

HistoriaEn 1887, Gassner patentó la denominada pila seca, ya que no tiene un electrólito líquido libre, sino una pasta de yeso de París. En 1955, el ingeniero Urry, intentando encontrar una manera de aumentar la vida útil de las pilas de cinc-carbono, modificó los electrodos llegando al desarrollo de las pilas alcalinas, aunque con una fabricación de mayor coste. En la década de 1980, un equipo de investigación de Sony produciría finalmente la batería de iones de litio, recargable y más estable que la batería de litio puro. En 1996, se lanzó al mercado la batería de polímero de ion de litio, en la que su electrolito se aloja en un polímero sólido compuesto y los electrodos y los separadores se laminan entre sí, lo que permite envolturas flexibles.

Parámetros de un acumulador(Voltaje)

La tensión o potencial es el primer parámetro a considerar, pues es el que suele determinar si el acumulador conviene al uso al cual se le destina.

La unidad de voltaje es el voltio. Matemáticamente:

Donde: V = voltaje W = trabajo q = carga t = tiempo

Es la tasa de cambio neta de la carga Q (medido en culombios) transferida a través de una sección transversal de un conductor.

Donde:

I = corriente q = carga t = tiempo En motores de corriente continua mientras mayor es la

corriente más torque se puede realizar con el motor. Osea más fuerza podrá hacer dicho motor.

Parámetros de un acumulador(Corriente)

La capacidad de carga que puede almacenar el elemento o capacidad del acumulador, se mide en amperios-hora (Ah) y es el segundo parámetro a considerar. Especial importancia tiene en algunos casos la intensidad de corriente máxima obtenible, medida en amperios (A); p. ej., los motores de arranque de los automóviles exigen esfuerzos muy grandes de la batería cuando se ponen en funcionamiento (centenas de A), pero actúan durante poco tiempo.

Un miliamperio-hora es la corriente en miliamperios que puede entregar la pila durante 1 hora. Entre una batería o pila de 1200 mAh y otra de 2200 mAh la segunda durará más tiempo porque tiene mayor cantidad de carga eléctrica almacenada. En cualquier equipo eléctrico podemos colocar cualquier pila con cualquier mAh ya que influye en la duración.

Parámetros de un acumulador(capacidad de carga)

La capacidad eléctrica se mide en la práctica por referencia a los tiempos de carga y de descarga en amperios (A). La unidad es el culombio (C).

Donde: C = capacidad eléctrica I = intensidad t = tiempo (en segundos) th= tiempo en horas

Parámetros de un acumulador(capacidad eléctrica)

La energía que puede suministrar una batería depende de su capacidad y de su voltaje, se mide habitualmente en Wh (vatios-hora); la unidad SI es el julio.

Donde: W = energía P = potencia t = tiempo (en segundos) th= tiempo (en horas) Como Donde: P = potencia i = intensidad V = diferencia de potencial La equivalencia de unidades se puede desarrollar en: (La energía se obtiene multiplicando la capacidad por el voltaje).

Parámetros de un acumulador(energía)

Cuando vean indicaciones en el cuerpo de las baterías o en sus envases, como «Cárguese a 120 mA durante 12 horas», el producto resultante excederá la capacidad del acumulador, el exceso de carga se disipa dentro de la batería en forma de calor a causa de su resistencia interna.

Si la capacidad del acumulador fuesen 1200 mAh y se le aplicara una corriente de carga de 120 mA durante 12 horas, , por lo que 240 mAh será la carga convertida en calor dentro de la batería y 1200 mAh la efectivamente almacenada en ella. Para calcular la energía perdida bastaría multiplicar los 240 mAh de exceso de carga por la tensión de carga.

Parámetros de un acumulador(tener en cuenta)

La resistencia de las baterías es muy inferior a la de las pilas, lo que les permite suministrar cargas mucho más intensas que las de éstas, sobre todo de forma transitoria. Por ejemplo, la resistencia interna de una batería de plomo-ácido es de 0,006 ohm, y la de otra de Ni-Cd, de 0,009 ohm.

Parámetros de un acumulador(resistencia)

C es una constante creada por los fabricantes que depende de los miliamperios hora especificados en la batería y que se usa para poder señalar más fácilmente la intensidad a la que debe cargarse o descargarse una batería sin que ésta sufra daños. Se calcula como a continuación:

Donde: C= constante de carga o descarga X= capacidad en mAh de la batería

Por ejemplo, una LiPo de 1200 mAh:

Parámetros de un acumulador(Constante de carga/descarga )

Tipos de Acumuladores Recargables

Las baterías recargables usan reacciones electroquímicas que son eléctricamente reversibles, es decir:

Cuando la reacción transcurre en un sentido, se agotan los materiales de la pila mientras se genera una corriente eléctrica.

Para que la reacción transcurra en sentido inverso, es necesaria una corriente eléctrica para regenerar los materiales consumidos.

Las baterías recargables vienen en diferentes tamaños y emplean diferentes combinaciones de productos químicos.

Se encuentran habitualmente en el comercio acumuladores recargables de los tipos que se detallan a continuación:

Baterias de Plomo – Ácido Baterias de Niquel – Hierro Baterias de Niquel – Cadmio Baterias de Niquel – Hidruro Metalico Baterías de iones de litio (Li-ion) Baterías de polímero de litio

Baterías de plomo - ácido

Los acumuladores o baterías de plomo son un tipo de batería muy común en vehículos convencionales.

Suelen 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.

Baterías de plomo-ácido (cont.)

Composicion Una batería se compone de 2 juegos de placas de plomo, positivas y

negativas, interpuestas alternadamente, separadas entre sí por un elemento aislante. El conjunto se sumerge en un líquido, llamado electrolito, compuesto de ácido sulfúrico diluido en agua destilada.

Este conjunto se agrupa en celdas ó elementos independientes, también llamados vasos y su tensión es de unos 2 V. cuando está bien cargado. Estos elementos se conectan en serie formando así una batería de acumuladores.

Por ejemplo, una batería de 12 V. es el resultado de la interconexión de 6 celdas en serie.

Ventajas

Facil de Fabricar Tecnologia Fiable y bien conocida

Desventajas No admiten sobrecargas, viendo seriamente disminuida su vida útil. Contenido de Plomo y acido dañan el medio ambiente. La carga dura entre 8 y 10 horas.

Utilizacion mas conocida en los automoviles para el arranque y en aplicaciones estacionarias como acumuladores para fuentes de alimentación ininterrumpidas para equipos médicos, informáticos, equipos de seguridad.

Baterías de plomo-ácido (cont.)

Baterías de níquel-hierro (Ni-Fe)

La batería de níquel-hierro, también denominada de ferroníquel, fue inventada por Waldemar Jungner en 1899, posteriormente desarrollada por Thomas Alva Edison y patentada en 1903

Composicion En el diseño original de Edison el cátodo estaba compuesto por hileras de finos tubos formados por laminas enrolladas de acero niquelado, estos tubos están rellenos de hidróxido de níquel u oxi-hidróxido de níquel (NiOOH) El ánodo se componía de cajas perforadas delgadas de acero niquelado que contienen polvo de óxido ferroso (FeO)

Baterías de níquel-hierro (Ni-Fe) (cont.)

Las principales ventajas de la batería de níquel-hierro con respecto a las de plomo-ácido, eran su velocidad de carga, eran más ligeras y su gran longevidad. Todavía hay vehículos de la época en las que funcionan. Bob Burrell restaurador de coches antiguos, encontró el ultimo coche eléctrico de Edison (construido en 1912) languideciendo en un garaje de Londres; después de una restauración de ocho años, el coche está en funcionamiento.

No es contaminante, no contiene metales pesados y el electrolito diluido se puede usar en aplicaciones agrícolas.

Muy larga vida útil, algunos fabricantes hablan de más de 100 años de esperanza de vida.

Compuesta de elementos abundantes en la corteza de la tierra (hierro, níquel, potasio)

Funciona en un mayor rango de temperaturas, entre −40 °C y 46 °C

Las baterías de niquel-hierro se utilizaron en vehículos de los modelos Detroit Electric y Baker Electric; y desde 1910 a 1965 se utilizaron en la iluminación de los trenes. Hoy en día se utilizan en fuentes de energía alternativas: paneles solares, y turbinas de viento

Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd)

Las baterías de níquel cadmio (que suelen abreviarse "NiCd") son baterías recargables de uso doméstico e industrial (profesionales). Cada vez se usan menos (a favor de la NiMH), debido a su efecto memoria y al cadmio (que es muy contaminante).

El calor es el gran enemigo de los elementos de NiCd y aún más de las de NiMH. Si se carga una batería con una corriente elevada y una vez alcanzada la carga máxima se sigue suministrando corriente, ésta se disipará en el interior de la batería en forma de calor, pudiendo deteriorarla o incluso destruirla. Existen cargadores de baterías comerciales que detectan el momento de carga máxima, pues en ese punto se observa un pico en el voltaje (aumenta hasta un máximo y luego disminuye), interrumpiendo en ese momento el proceso de carga.

Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) (cont.)

Composición: 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 está agotada, para su reutilización. Sin embargo, su densidad de energía es baja, lo que hace que tengan poca capacidad.

Ventajas Pueden recargarse Son mucho más robustas en construcción y por tanto menos propensas que las pilas

normales a perder el electrolito. Tienen una resistencia interna extremadamente baja

Desventajas Efecto memoria muy alto. Densidad de energía baja.

Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) (cont.)

Consecuencia medioambientales:

Las baterías de ni-cd contienen de un 6% a un 18% de cadmio, que es un metal pesado toxico, por lo tanto requiere un cuidado especial durante su eliminación, ya que en organismos sobreexpuestos, el cadmio ocasiona graves enfermedades tales como cáncer de pulmón. Estas enfermedades son ocasionadas por la contaminación y residuos que emite al ser incinerado o absorbido por el suelo. Estos residuos pueden llegar a las personas y a especies animales mediante el agua, los alimentos y el aire que respiramos. Por eso muchos países tienen programas de reciclaje para reprocesar baterías viejas de ni-cd

Parte del alto precio de las baterías de Ni-Cd es debido a la necesidad de que tengan un diseño que prevenga posibles escapes.

Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) (cont.)

Precauciones para asegurar una larga vida útil:

Una Ni-Cd tratada con cariño puede recargarse hasta 1000 veces. Según aumentan el número de cargas, aunque sea con todo cuidado la ni-cd disminuye su capacidad. Una Ni-Cd ha dejado de ser útil cuando su capacidad baja al 70% de la nominal.

Precauciones para asegurar una larga vida útil: Evitar que el calor de la soldadura llegue a la ni-cd. En un proceso cercano de

soldadura Evitar las bajas temperaturas durante el proceso de carga. No descargar completamente una ni-cd, una batería totalmente descargada no puede volver a cargarse. Cargar las baterías nuevas antes de usarlas.

Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH)

Comparten caracteristicas con las NI-CD pero son superiores

Reemplaza la composicion de Cadmio por hidruro Metalico, eliminando el cadmio que es muy costoso y representa un peligro al medio ambiente.

Ofrecen una mayor capacidad en el mismo tamano y peso que las NI-CD

Voltaje nominal 1.2V

Hay que evitar la descarga completa ya que la bateria puede dañarse.

Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH)

Ventajas 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.

Desventajas No admiten bien el frío extremo, reduciendo drásticamente la potencia

eficaz que puede entregar.

La tecnología NiMH se utiliza ampliamente en baterías recargables para electrónica de consumo, donde resultan muy útiles porque sus electrodos se pueden soldar sin problemas.

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

Suelen llevar circuitería acoplada para conocer el estado de la batería y evitar carga excesiva como descarga completa

Su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música

Es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito, una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el ánodo y el cátodo.

Baterías de iones de litio (Li-ion) (cont.)Ventajas:

Apenas sufren el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de estar descargadas completamente, sin reducción de su vida útil.

Altas densidades de capacidad.Desventajas:

No admiten bien los cambios de temperatura. No admiten descargas completas y sufren mucho cuando éstas suceden.

Características: Voltaje Proporcionado:

A plena carga: entre 4,2 V y 4,3 V dependiendo del fabricante A carga normal: entre 3,6 V y 3,7 V dependiendo del fabricante A baja carga: entre 2,65 V y 2,75 V dependiendo del fabricante

(recomendada) Densidad de energía: 115 Wh/kg Capacidad usual: 1,5 a 2,8 A (en pilas de tipo AA)

Establece una nomenclatura XSYP (X celdas en serie e Y baterías en paralelo – Ej: 3s2p). Se conectan con un cable paralelo.

Voltaje nominal de cada celda de 3,7 V, máximo 4,2 V y mínimo 3,0 V (por debajo de este, la pila se daña irreparablemente)

Por su tamaño y peso, son útiles para equipos pequeños que requieran potencia y duración, como un manos libres bluetooth.

Baterías de polímero de litio (LiPo)

Son una variación de las baterías de iones de litio (Li-ion). Sus características son muy similares, pero permiten una mayor densidad de energía, así como una tasa de descarga bastante superior. Estas baterías tienen un tamaño más reducido respecto a las de otros componentes.

Baterías de polímero de litio (LiPo) (cont.)

Ventajas: Mayor densidad de carga, por tanto tamaño reducido Buena tasa de descarga, bastante superior a las de iones de litio.

Desventajas: Quedan casi inutilizadas si se descargan por debajo del mínimo de

3 voltios.Tipos: Se venden generalmente de 1S a 4S lo que significa:

Li-PO 1S: una celda, 3,7 V. Li-PO 2S: dos celdas, 7,4 V. Li-PO 3S: tres celdas, 11,1 V. Li-PO 4S: cuatro celdas, 14,8 V.

Está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos.

Produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno.

Otros Tipos de Acumuladores (1/2)

La pila de combustible no se trata de un acumulador propiamente dicho, aunque convierte energía química en energía eléctrica y es recargable. Funciona con hidrógeno (Se usan otros combustibles como el metano o el metanol para obtener el hidrógeno).

Pilas de Combustible

Se usan como batería en algunos relojes de pulsera que recogen la energía en forma de luz a través de células fotovoltaicas, o mediante un pequeño generador accionado mecánicamente por el muelle de la cuerda del reloj.

Se les suele llamar condensadores, ya que condensan o almacenan la corriente eléctrica aunque ésta fluctúe en el circuito.

Otros Tipos de Acumuladores (2/2)

Aunque no sean acumuladores electroquímicos en sentido estricto, en la actualidad se están consiguiendo capacidades lo suficientemente grandes (varios faradios, F) como para que se los pueda utilizar como baterías cuando las potencias a suministrar sean pequeñas, en relación a su capacidad de almacenamiento de energía.

Condensadores de alta capacidad

Tabla comparativa de los diferentes tipos de acumulador

Tipo Energía/ peso

Tensión por

elemento (V)

Duración(número

de recargas)

Tiempo de carga

Auto-descarga

por mes (% del total)

Plomo 30-40 Wh/kg 2 V 1000 8-16h 5 %

Ni-Fe (Níquel-Hierro) 30-55 Wh/kg 1,2 V + de 10 000 4-8h 10 %

Ni-Cd (Níquel-Cadmio) 48-80 Wh/kg 1,25 V 500 10-14h * 30 %

Ni-Mh (Níquel-Hidruro Metálico) 60-120 Wh/kg 1,25 V 1000 2h-4h * 20 %

Li-ion (Iones de Lítio) 110-160 Wh/kg 3,16 V 4000 2h-4h 25 %

Li-Po (Polímero de Lítio) 100-130 Wh/kg 3,7 V 5000 1h-1,5h 10 %

Definición

Funcionamiento

Características

Diferencia de potencial

Duración fuera de servicio

Historia

Tipos de acumuladores por su naturaleza

- Pila común o secas- Pilas alcalinas

- Pilas alcalinas de manganeso

PILAS COMPOSICION VENTAJAS DESVENTAJAS USOS

Secas, de zinc-carbono o Comunes

Recipiente cilíndrico de cinc (polo negativo) relleno de pasta electrolítica y por una barra de carbón en el centro (electrodo positivo).

No se descargan si no están en uso.

Una pila puede llegar a contaminar 3.000 litros de agua.

Linternas, radios, otros.

Alcalinas

Electrolito básico (Hidróxido de potasio)-dióxido de manganeso- pasta de cinc, amalgamada con mercurio (en total 1%), carbón o grafito.

Mayor potencia y una corriente más estable.Su duración es seis veces mayor que la de la pila de cinc-carbono.Resisten mejor el uso constante.

Mayor costo. El blindaje no tiene duración ilimitada.

Para aparatos complejos y de elevado consumo energético.

Alcalinas de manganeso

El recipiente es de acero . El ánodo es de cinc amalgamado y el cátodo es un material polarizador compuesto con base en dióxido de manganeso, óxido de mercurio (II) mezclado íntimamente con grafito, y en casos raros, óxido de plata .El electrolito es una solución de hidróxido potásico (KOH),

Mayor duración que las alcalinas.

Una pila contamina 175.000 litros de agua.Sus componentes son sustancias tóxicas, que producen diversas alteraciones en la salud humana

Juguetes, tocacintas, cámaras fotográficas, grabadoras, linternas, etc.

Tipos de pilas por forma y tamaño

Pilas y medio ambienteUna micropila de mercurio, puede llegar a contaminar 600.000 l de agua.Una de cinc-aire 12.000 litros.Una de óxido de plata 14.000 litros.

TENER EN CUENTA:“Las pilas son residuos peligrosos por lo que, desde el momento en que se empiezan a reunir, deben ser manipuladas por personal capacitado que siga las precauciones adecuadas empleando todos los procedimientos técnicos y legales de manipulación de residuos peligrosos.”

Muchas Gracias!Anton, MatíasCastromán, HugoCisneros, EdithClementi, AdriánContino, LeandroGraff, Walter

Electromagnetismo de Estado Sólido I Profesores:Vallhonrat, CarlosCingolani, Enrique

10/12/2013 - TN