Baterías

Características generales de las baterías.

Una batería consiste en dos o más elementos, pilas o celdas, conectados en serie o en paralelo. Dichos elementos convierten la energía química en energía eléctrica mediante dos electrodos de distinto material  (materia activa), aislados eléctricamente uno del otro y “sumergidos” en un electrolito que hace de conductor iónico.

El electrolito puede ser sólido, líquido o en forma de gel, pero normalmente es una solución acuosa. Cuando la batería es recargable, el proceso químico es reversible y la energía eléctrica inyectada puede convertirse en energía química y almacenarse de este modo.

Los procesos electroquímicos se producen siempre que se produce una reacción química de reducción-oxidación, es decir, en donde hay transferencia de electrones.

Al introducir dos polos metálicos distintos en el electrolito, se producen dos reacciones electroquímicas, donde uno de los metales se oxida, mientras que el otro se reduce. Al producirse esta reacción química red-ox, se acumulan cargas eléctricas negativas en el ánodo, y cargas positivas en el cátodo. Esta migración de electrones se cuantifica en términos de potencial o tensión, y viene dado por el potencial redox de la reacciónquímica. Este potencial cesará cuando los reactivos de la reacción química mengüen, y la reacción no pueda continuar.

Clasificamos las pilas en función de si la reacción química es reversible en:

-Pilas primarias o no recargables: pila de Volta, pila salina, pila de botón, etc.

-Pilas secundarias o recargables: acumulador de Pb, acumulador de Ni-Fe y de Ni-Cd.

Las pilas secundarias, también se llaman acumuladores, están basados en un proceso cuyos componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que meramente se transformen en otros, que a su vez puedan retornar al estado primero en las circunstancias adecuadas.

Términos vinculados a las baterías

Electrolito :   El electrolito puede ser sólido, líquido o en forma de gel, pero normalmente es una solución acuosa.

  Placas:   Las placas son las partes de la batería que colectan la corriente y están

conectadas a los terminales. Hay varias placas en cada celda (vaso), cada una aislada de

las otras por separadores.

 • Estratificación:      Con el tiempo el electrolito (líquido) de las baterías tiende a

separarse. En la parte superior de la batería el electrolito se va aguando, mientras en el

fondo se va acidificando. Este efecto es corrosivo para las placas. Esto también termina

en la inutilización de la batería.

• Voltaje Bruto, Máximo o de fondo : Este es el mayor voltaje al cual serán cargadas las baterías durante un ciclo normal de carga. El rango normal es de 2,367 a 2,4 voltios por vaso. Para una batería de 12V DC (6 vasos) será de 14,2 a 14,4 voltios. Las baterías de electrolito líquido usualmente se llevan al voltaje más alto y las baterías de celdas de gel al más bajo.

• Etapa de Absorción : Durante esta parte del ciclo de carga, las baterías se mantienen al voltaje máximo y aceptan toda la corriente requerida para mantener este voltaje.

• Voltaje de flote: En este voltaje se mantendrán las baterías después de cargadas. Elrango de 13,2 a 13,4 es apropiado para la mayoría de las baterías selladas y no selladas.

• Capacidad de la batería: Indica el tiempo durante el cual la batería entregara unadeterminada corriente, se da el valor como el producto de la corriente (Amperio) y eltiempo (horas), generalmente es un parámetro medido en una fracción de 20 horas.Entonces, una bat. de 50AH indica que entrega 2,5 Amperios durante 20 horas.

 

• Corriente de carga máxima :Es la máxima corriente que puede circular a la batería en sentido inverso, es decir durante el proceso de carga, generalmente es el 10% del valor de capacidad de corriente a 1 hora, con el ejemplo anterior seria de 5 Amperios. Hay baterías que admiten hasta el 50% de su capacidad y algunos cargadores de baterías inteligentes cambian la corriente en función de la etapa de carga, al principio cuándo la baterías esta descargada lo hacen al máximo y luego lo van bajando hasta llegar al 10%.

• Corriente de mantenimiento o pérdida :      Una vez cargada la batería esta sufre un proceso de autodescarga, a esa autodescarga se la llama corriente de perdida, es un fenómeno químico y aunque la batería no tenga conectada ninguna carga eléctrica se produce igualmente. Si la batería tiene conectada un circuito eléctrico externo y aunque este no consuma nada, también se producirá la autodescarga. Los buenos cargadores de batería compensan esta autodescarga. Esta corriente de autodescarga es la responsable de que una baterías cargada y puesta en la estantería (en almacenaje), al tiempo se encuentre totalmente descargada y probablemente inutilizada .

• Ciclo Profundo: Un ciclo profundo es cuando una batería ha sido descargada hasta menos del 20% de su capacidad o sea un 80% de descarga. La vida útil de las baterías se

suele medir en cantidades de ciclos, depende los tipos pueden llegar hasta 300 ciclos.

• Temperatura de trabajo : Obviamente es la temperatura a la cual esta sometida la batería durante su operación, las prestaciones y características dependen fuertemente de

la temperatura. Influye en el voltaje de flote, debiendo compensarse para obtener un rendimiento optimo. Influye en la vida útil, si trabaja a mucha temperatura empeora notablemente. Influye en su capacidad, si esta fría empeora muchísimo.

• Vida útil :Es el tiempo durante el cual la batería tiene capacidad de retener energía,

depende de muchos factores, como dijimos, los fundamentales son la temperatura, tanto

de uso como de almacenamiento, el tiempo que transcurra sin recibir carga, los ciclos

profundos a los cuales ha sido sometida .

Factores que se utilizan para evaluar la aplicación de las baterías.

El primero de los factores que definen la calidad de un acumulador es la densidad de energía, que se mide en Wh/kg si es densidad másica y en Wh/dm³ si es densidad volúmica, puesto que nos informa de la energía que es capaza de almacenar la batería.

El segundo factor por su importancia es la densidad de potencia, la cual se mide en W/kg. Este factor nos va a definir el pico de potencia que puede proporcionar un acumulador y nos va a determinar la velocidad punta del vehículo y la capacidad de aceleración.

Curva de estabilidad de tensión: Es interesante tener una caída de la tensión de descarga lo más baja posible para conseguir mantener la potencia del vehículo dentro de un rango adecuado a las prestaciones, incluso cuando la tensión sea mínima. 

 

Carga-descarga que soporta el acumulador. Este factor es decisivo de cara a la rentabilidad de las baterías y su aplicación a los vehículos eléctricos. En la figura 1 se muestra la capacidad de la carga en función del régimen de descarga.

Duración de la carga: Aquellos acumuladores o métodos de carga que reduzcan el tiempo necesario para la recarga son los más óptimos.

Rendimiento energético : Los rendimientos evalúan la energía que sale en función de la que entra en las baterías. Se pretende buscar el máximo aprovechamiento de la energía con que se carga la batería.

Tipo de baterías.

Batería	Energía (Wh/Kg)	Potencia (W/Kg)	Vida (ciclos)
Pb/PbO2	33 (1h)	100-180	600
Ni/Cd	65(1h)	200	2000
Ni/Fe	55 (2h)	100	1500
Ni/Zn	70 (2h)	130	300
Ag/Zn	110	80	600
Al/aire	268	158	-
Fe/aire	80(5h)	30-40	350
Zn/Cl	150 (4h)	80	400
Na/S	180 (4h)	120	800
Li/FeS2	100 (4h)	95	100

 

	Pb sin mto.	Ni/Cd	Ni/Fe	Ni/MH	Zn/Br2	Na/S	Li/FeS
Energía másica (Wh/kg)	36	57,5	51	55	79	79	66
Energía volumétrica (Wh/dm³)	92	104	118	152	56	123	133
Tiempo de carga (horas)	8	6,5	10	11	7	10	10
Coeficiente de sobrecarga (%)	10	11	40	10	7	0	5
Rendimiento energético (%)	89	78	58	90	75	91	81
Potencia másica (W/kg)	68	175	99	175	40	52	64
Ciclos	500	2000	1500		200

Batería	Fortalezas	Debilidades
Acido-plomo	o      Tensión elevada que se mantiene durante la descarga. o      Se produce la regeneración en el momento que la descarga es interrumpida. o      Rendimiento aceptable. o      Presentan un conjunto de valores más equilibrados de cara a su uso para la tracción.	o      Densidades de energía y potencia limitada (máximo 45 Wh/kg). o      Su capacidad está muy influida por el tiempo de descarga, intensidad de descarga, temperatura de descarga.
Ni-Fe	o      Densidad de potencia superior a las de ácido plomo. o      Ligera y de tamaño reducido. o      Duración aceptable.	o      Rendimiento energético bajo. o      Precio elevado. o      Potencia débil especialmente a baja temperatura. o      Desprendimiento permanente de H2 o      Perdida importante de energía durante los periodos de no utilización. o      Rendimiento energético mediocre.
Ni-Zn	o      Excelente densidad de energía. o      Excelente densidad de potencia. o      Buen rendimiento energético.	o      Precio elevado
Batería	Fortalezas	Debilidades
Ni-Cd	o      Tamaño pequeño y ligero. o      Excelente potencia especifica ( buen nivel de aceleración). o      Vida muy larga. o      Buen rendimiento. o      Tiempo de recarga corto. o      Rendimiento conservados a baja temperatura (-20º C). o      Buen comportamiento frente a esfuerzos mecánicos y eléctricos. o      Posibilidad de reducción del coste por industrialización.	o      Necesidad de ventilación. o      Mantenimiento. o      Bajo volumen de producción (mercado naciente). o      Rendimiento energético más bajo. o      Problemas para producción a gran escala. o      Baja autonomía.
Ni/MH	o      Servicio sin mantenimiento. o      Energía y potencia especifica satisfactorias. o      Buen rendimiento energético.	o      Coste todavía problemático. o      Reversibilidad del electrodo H2 Duración de vida a confirmar
Zinc-Halogeno	o      Energía másica correcta. o      Bajo coste de la Electroquímica.	o      Toxicidad del bromo en medio. o      Baja potencia especifica. o      Muchos órganos auxiliares ( bombas, válvulas...) con lo que aumenta su coste.
Litio recargable a temperatura ambiente	o      Toxicidad del bromo en medio. o      Baja potencia especifica. o      Muchos órganos auxiliares ( bombas, válvulas...) con lo que aumenta su coste.	o      En desarrollo. o      Alto riesgo de inflamabilidad.
Ag-Zn	o      Elevada densidad de energía. o      Elevada densidad de potencia	o      Precio elevadísimo. o      Escasez en las materias primas.
Al-aire	o      Posibilidad de dar una cantidad de energía similar a la de los vehículos convencionales de combustión. o      Competitivas en cuanto precio. o      Posee futuras aplicaciones viables.	o      En desarrollo. o      Su rendimiento es bajo. o      Requiere la circulación de electrolito para mantener la temperatura de operación ( es una batería-máquina).
Fe-aire	o      Es muy económica. o      Posee unos niveles de energía elevados. o      El rendimiento energético es casi despreciable ( irreversibilidad del electrodo de aire, lo que le hace inviable).	o      Su tensión es baja. o      La densidad de potencia no es muy alta. o      En desarrollo.
Zn-Cl	o      Buenos niveles de densidad de energía. o      Buenos niveles de densidad de potencia. o      Precio aceptable. o      Posee la mayor duración lograda en baterías	o      Es una batería-máquina ( incluye bombas, unidad de refrigeración, etc.). o      Consume el 10% de la energía que produce.
Na-S	o      Excelente energía másica. o      Rendimiento farádico de 1. o      Funcionamiento estanco. o      Coste poco elevado.	o      Potencia especifica baja ( aceleración insuficiente en un vehículo eléctrico). o      Energía volumétrica baja. o      Fiabilidad mediocre e inaceptable en vehículo eléctrico. o      Funcionamiento a más de 300ºC. o      Control térmico y eléctrico de los acumuladores sofisticados. o      Desprendimiento importante de SO2 en caso de cortocircuito.
Li-FeS2	o      Buena densidad de energía. o      Buena densidad de potencia	o      El principal problema es el balance de calor. o      La temperatura de operación es de 450ºC.