Baterías. Historia, tecnología, realidad.

Baterías. Historia, tecnología, realidad.

Vasiliev Vladimir Yurievich
Petrov Nikolay Nikolaevich,
Candidato de Ciencias Técnicas

En el artículo Se ha intentado presentar de forma concisa información sobre las baterías que se utilizan actualmente en los equipos de radio.

El artículo tiene carácter de revisión y está dirigido a los lectores de nuestra revista que funciona con pilas.

Todos los materiales utilizados se proporcionan con el permiso del Sr. Isidor Buchmann, fundador y director de la empresa canadiense Cadex Electronics Inc., en Burnaby (Vancouver), Columbia Británica, Canadá.

Más detallado Puede encontrar información en ruso sobre baterías para equipos de comunicaciones móviles, computadoras y otros dispositivos portátiles, así como consejos sobre operación y mantenimiento en la página:  Baterías para dispositivos móviles y dispositivos portátiles. Evaluación del estado.

Baterías de plomo-ácido selladas.

A nivel internacional, la designación es BATERÍA DE PLOMO ÁCIDO SELLADA, o SLA para abreviar.

La batería de plomo-ácido, inventada en 1859, fue la primera batería recargable destinada a uso comercial.

Hoy en día, las baterías de plomo-ácido inundadas se utilizan en automóviles y equipos que requieren una alta potencia de salida.

Los dispositivos portátiles utilizan baterías selladas o baterías con una válvula de control que se abre cuando la presión dentro de la carcasa aumenta por encima de un umbral específico.

Existen varias tecnologías para fabricar baterías SLA: Electrolito gelificado (GEL ), Mat de vidrio absorbente (AGM), así como varias tecnologías híbridas que utilizan una o más formas de mejorar los parámetros de la batería.

Cuando se fabrica con tecnología GEL, al agregar sustancias especiales al electrolito, se asegura su transición a un estado gelatinoso varias horas después de llenar la batería.

En el espesor de la gelatina Al igual que el electrolito, se forman poros y cavidades con un volumen significativo y el área de superficie donde las moléculas de oxígeno e hidrógeno se encuentran y se recombinan para formar agua.

Como resultado, la cantidad de electrolito permanece sin cambios y no es necesario agregar agua durante toda la vida útil.

La tecnología AGM utiliza un núcleo poroso de fibra de vidrio impregnado con electrolito líquido. Los microporos de este material no están completamente llenos de electrolito.

El volumen libre se utiliza para la recombinación de gases.

Se suelen utilizar baterías SLA En los casos en que se requiere eficiencia de alta potencia, el peso no es crítico y el costo debe ser mínimo. El rango de valores de capacidad para dispositivos portátiles es de 1 a 30 A*hora.

Las baterías SLA grandes para aplicaciones estacionarias tienen una capacidad de 50 a 200 A*hora.

Las baterías SLA no están sujetas al efecto memoria.»

Sin ningún daño, se permite dejar la batería en el cargador con carga flotante durante mucho tiempo.

La retención de carga es la mejor entre las baterías recargables.

Mientras que las baterías de NiCd se autodescargan con un 40% de la energía almacenada en tres meses, las baterías SLA se autodescargan en la misma cantidad en un año.

Estas baterías son económicas, pero su costo de operación puede ser mayor que el de NiCd si se requiere una gran cantidad de ciclos de carga/descarga durante la vida útil.

El modo de carga rápida es inaceptable para baterías SLA. El tiempo de carga típico es de 8 a 16 horas.

A diferencia de las baterías de NiCd, a las baterías SLA no les gustan los ciclos de descarga profunda ni el almacenamiento en estado descargado.

Esto hace que las placas de la batería se sulfaten, lo que hace que sea difícil, si no imposible, cargarlas.

De hecho, cada ciclo de carga/descarga elimina una pequeña cantidad de capacidad de la batería. Esta pérdida es muy pequeña si la batería está en buenas condiciones, pero se vuelve más notoria tan pronto como la capacidad cae por debajo del 80% de la capacidad nominal.

Esto también se aplica en mayor o menor medida a baterías de otros sistemas electroquímicos. Para reducir el impacto de una descarga profunda, puede utilizar una batería SLA ligeramente más grande.

Dependiendo de la profundidad de la descarga y la temperatura de funcionamiento, una batería SLA proporciona de 200 a 500 cargas/descargas. ciclos. La razón principal del número relativamente pequeño de ciclos es la expansión de las placas positivas como resultado de reacciones químicas internas.

Este fenómeno es más pronunciado a temperaturas más altas.

Las baterías SLA tienen una densidad de energía relativamente baja en comparación con otras baterías y, como resultado, no son adecuadas para dispositivos compactos.

Esto se vuelve especialmente crítico a bajas temperaturas, ya que la capacidad de entregar La corriente a la carga a bajas temperaturas disminuye significativamente.

Paradójicamente, la batería SLA se carga muy bien con pulsos de descarga alternos.

Durante estos pulsos, la corriente de descarga puede alcanzar un valor de más de 1C (capacidad nominal).

Debido al alto contenido de plomo, las baterías SLA son dañinas para el medio ambiente si se eliminan incorrectamente.

Baterías de níquel-cadmio.

En la interpretación internacional, la designación es BATERÍA DE NÍQUEL-CADMIO o NiCd abreviado. .

La tecnología para fabricar pilas alcalinas de níquel se propuso por primera vez en 1899.

Los materiales utilizados en ellos eran caros en aquella época y las baterías se utilizaban sólo en la fabricación de equipos especiales.

En 1932, se añadieron sustancias activas a la placa porosa del electrodo de níquel, y en En 1947 se iniciaron los estudios de baterías selladas de NiCd, en las que los gases internos liberados durante la carga se recombinaban en el interior, en lugar de liberarse al exterior como en versiones anteriores.

Estas mejoras dieron lugar a la moderna batería sellada de NiCd que se utiliza hoy en día.

La batería de NiCd es una veterana en el mercado de dispositivos móviles y portátiles.

La tecnología bien establecida y el funcionamiento confiable han garantizado que se utilice ampliamente para alimentar radios portátiles, equipos médicos, cámaras de video profesionales, dispositivos de grabación, potentes herramientas manuales y otros equipos portátiles.

La aparición de baterías de sistemas electroquímicos más nuevos, aunque condujo a una disminución en el uso de baterías de NiCd, sin embargo, la identificación de las deficiencias de los nuevos tipos de baterías llevó a un renovado interés en las baterías de NiCd.

Sus principales ventajas:

• método de carga rápido y sencillo;
• larga vida útil: más de mil ciclos de carga/descarga, sujeto a las normas de operación y mantenimiento;
• Excelente capacidad de carga, incluso a bajas temperaturas. La batería de NiCd se puede recargar a bajas temperaturas;
• fácil almacenamiento y transporte. Las baterías de NiCd son aceptadas por la mayoría de las compañías de carga aérea;
• fácil recuperación después de la reducción de capacidad y almacenamiento a largo plazo;
• baja sensibilidad a acciones inadecuadas del consumidor;
• asequible precio;
• amplia gama de tamaños estándar.

La batería de NiCd es como un trabajador fuerte y silencioso que trabaja intensamente y no causa muchos problemas.

Prefiere la carga rápida a la carga lenta y la carga por impulsos a la carga de corriente constante.

La eficiencia mejorada se logra distribuyendo los pulsos de descarga entre los pulsos de carga.

Este método de carga, habitualmente llamado reversible, restaura la estructura de los ánodos de cadmio, eliminando así el “efecto memoria”, y aumenta la eficiencia y vida útil de la batería.

Además, es reversible la carga te permite cargar con una corriente más alta en menos tiempo, porque ayuda a recombinar los gases liberados durante la carga.

Como resultado, la batería se calienta menos y se carga de manera más eficiente en comparación con el método de carga de CC estándar.

La investigación realizada en Alemania demostró que la carga inversa aumenta aproximadamente un 15 % la vida útil de una batería de NiCd.

Es perjudicial que las baterías de NiCd permanezcan en un cargador durante varios días.

De hecho, las baterías de NiCd son el único tipo de batería que realiza mejor sus funciones si se someten periódicamente a una descarga completa. , y si no se produce, las baterías pierden gradualmente eficiencia debido a la formación de grandes cristales en las placas de las celdas, fenómeno llamado “efecto memoria”.

Para todos los demás tipos de baterías que utilizan el sistema electroquímico, es preferible una descarga superficial.

Entre las desventajas de la batería de NiCd cabe destacar:

• la presencia de un “efecto memoria” y, como resultado de esto, la necesidad de una descarga periódica completa para mantener las propiedades operativas;
• alta autodescarga (hasta un 10% durante las primeras 24 horas) ), por lo que las baterías deben almacenarse en estado descargado;
• La batería contiene cadmio y requiere una eliminación especial. Por este motivo, en varios países actualmente está prohibido su uso.

Baterías de hidruro metálico de níquel.

En la interpretación internacional se acepta la denominación BATERÍA DE HIDRURO METÁLICO DE NÍQUEL o, abreviadamente, NiMH.

Investigación en el campo de la tecnología de fabricación de NiMH Baterias se inició en los años setenta con el objetivo de superar las desventajas de las baterías de níquel-cadmio.

Sin embargo, los compuestos de hidruro metálico utilizados en aquella época eran inestables y no se conseguían las características requeridas.

Como resultado, el desarrollo en el campo de las baterías de NiMH se ralentizó.

En 1980 se desarrollaron nuevos compuestos de hidruro metálico, lo suficientemente estables para su uso en baterías.

Desde finales de los años ochenta, la tecnología de las baterías NiMH ha mejorado constantemente y la densidad de energía que almacenan ha aumentado.

Algunas de las ventajas distintivas de las baterías NiMH actuales:

• aproximadamente un 40 — 50 % más de capacidad específica en comparación con las baterías de NiCd estándar;
• menos propensas al “efecto memoria” que las de NiCd. Los ciclos periódicos de recuperación deben realizarse con menos frecuencia;
• menos toxicidad. La tecnología NiMH se considera respetuosa con el medio ambiente.

Desafortunadamente, las baterías de NiMH tienen desventajas y son inferiores a las de NiCd en algunos aspectos:

• el número de ciclos de carga/descarga de las baterías de NiMH es de aproximadamente 500. Es preferible una descarga superficial a una profunda. La durabilidad de las baterías está directamente relacionada con la profundidad de descarga;
• Una batería de NiMH genera significativamente más calor durante la carga que una batería de NiCd y requiere un algoritmo más complejo para detectar cuándo está completamente cargada, a menos que se utilice control de temperatura. La mayoría de las baterías de NiMH están equipadas con un sensor de temperatura interno para proporcionar criterios adicionales para la detección de carga completa. Una batería de NiMH no se puede cargar tan rápido como una de NiCd; El tiempo de carga suele ser el doble que el de NiCd. La carga flotante debe estar más controlada que para las baterías de NiCd;
• La corriente de descarga recomendada para las baterías de NiMH es de 0,2 C a 0,5 C, significativamente menor que para las de NiCd. Esta desventaja no es crítica si la corriente de carga requerida es baja. Para aplicaciones que requieren alta corriente de carga o tienen una carga pulsada, como radios portátiles y herramientas manuales potentes, se recomiendan baterías de NiCd;
• la autodescarga de las baterías de NiMH es entre 1,5 y 2 veces mayor que la de las NiCd;
• la autodescarga de las baterías de NiMH es 1,5-2 veces mayor que la de las de NiCd;

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• el precio de las baterías de NiMH es aproximadamente un 30% más alto que el de NiCd. Sin embargo, este no es el principal problema si el usuario requiere gran capacidad y pequeñas dimensiones.

La tecnología de fabricación de baterías de níquel-hidruro metálico se mejora constantemente.

Por ejemplo, GP Battery International Limited produce baterías NiMH para teléfonos móviles Motorola con las siguientes características: el número de ciclos de carga/descarga es 1000, no hay “efecto memoria” y no es necesario descargar la batería. batería antes de cargarla

Baterías de iones de litio.

En la interpretación internacional, la designación se acepta como BATERÍA DE IONES DE LITIO o Li-ion abreviado.

El litio es el metal más ligero y tiene un potencial electroquímico fuertemente negativo.

Debido a esto, el litio se caracteriza por tener la energía eléctrica específica teórica más alta.

Los primeros trabajos con baterías de litio se remontan a 1912. Sin embargo, no fue hasta 1970 que se produjeron por primera vez copias comerciales de fuentes de energía de litio.

En los años 80 se hicieron intentos de desarrollar fuentes de energía recargables de litio, pero no tuvieron éxito debido a la imposibilidad de garantizar un nivel aceptable de seguridad durante su funcionamiento.

Como resultado de una investigación realizada en En los años 80, se descubrió que durante el ciclo de una fuente de corriente con un electrodo metálico de litio, podía producirse un cortocircuito dentro de la fuente de corriente de litio.

En este caso, la temperatura dentro de la batería puede alcanzar el punto de fusión del litio. Como resultado de la violenta interacción química del litio con el electrolito, se produce una explosión.

Por lo tanto, por ejemplo, una gran cantidad de baterías de litio suministradas a Japón en 1991 fueron devueltas a los fabricantes. Después de explosiones de celulares, varias personas sufrieron quemaduras debido al suministro de energía de los teléfonos celulares.

En el proceso de creación de una fuente de corriente segura basada en litio, la investigación condujo a la sustitución del metal de litio inestable y cíclico de la batería por sus compuestos con otras sustancias.

Estos materiales de electrodos tienen varias veces menos con energía eléctrica específica de litio, sin embargo, las baterías basadas en ellos son bastante seguras, siempre que se tomen ciertas precauciones durante la carga/descarga.

En 1991, Sony comenzó la producción comercial de baterías de iones de litio y actualmente es uno de los mayores proveedores.

Para garantizar la seguridad y la longevidad, cada batería debe estar equipada con un circuito de control eléctrico para limitar el voltaje máximo de cada celda durante la carga y evitar que el voltaje de la celda caiga por debajo de niveles aceptables cuando se descarga.

Además, se debe limitar la corriente máxima de carga y descarga y controlar la temperatura del elemento.

Si se siguen estas precauciones, se elimina prácticamente la posibilidad de que durante el funcionamiento se forme litio metálico en la superficie de los electrodos (lo que a menudo tiene consecuencias indeseables).

Según la Material del electrodo negativo, las baterías de iones de litio se pueden dividir en dos tipos principales: con electrodo negativo a base de coque (Sony) y a base de grafito (la mayoría de los demás fabricantes).

Las fuentes de corriente con electrodo negativo a base de grafito tienen una curva de descarga más suave con una fuerte caída de voltaje al final de la descarga, en comparación con la curva de descarga más plana de una batería con electrodo de coque.

Por lo tanto, para obtener la máxima capacidad posible, la tensión de descarga final de las baterías con electrodo de coque negativo suele ajustarse más baja (hasta 2,5 V) en comparación con las baterías con electrodo de grafito (hasta 3,0 V).

Además, las baterías con electrodo de grafito negativo pueden proporcionar una mayor corriente de carga y menos calentamiento durante la carga y descarga que las baterías con electrodo de coque negativo.

Voltaje de fin de descarga 3.0 V para baterías con electrodo de grafito negativo es su principal ventaja, ya que en este caso la energía útil se concentra dentro del denso rango de voltaje superior, lo que simplifica el diseño de dispositivos portátiles.

Los fabricantes están Mejora continua de la tecnología de baterías de iones de litio.

Existe una búsqueda y mejora constante de los materiales de los electrodos y la composición de los electrolitos.

Paralelamente, se están tomando medidas para mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio. , tanto a nivel de fuentes de corriente individuales como a nivel de circuitos eléctricos de control.

Dado que estas baterías tienen una energía específica muy alta, se debe tener cuidado al manipularlas y probarlas: no cortocircuitar la batería, no sobrecargarla, destruirla, desmontarla, conectarla en polaridad inversa ni exponerla a altas temperaturas.

La violación de estas reglas puede provocar daños físicos y materiales.

Las baterías de iones de litio son las más prometedorasen la actualidad y se están utilizando ampliamente en computadoras portátiles y dispositivos de comunicación móviles.

Esto se debe a:

• alta densidad de energía eléctrica, al menos el doble que la del NiCd del mismo tamaño, y por lo tanto la mitad del tamaño con la misma capacidad;
• un gran número de ciclos de carga/descarga (de 500 a 1000) ;
• buen funcionamiento con corrientes de carga elevadas, lo cual es necesario, por ejemplo, cuando se utilizan estas baterías en teléfonos móviles y ordenadores portátiles;
• autodescarga bastante baja (2-5 % por mes más aproximadamente 3 % para alimentar el circuito de protección electrónica incorporado);
• ausencia de requisitos de mantenimiento, excepto la necesidad de precarga en poco tiempo -almacenamiento a plazo;
• permitir la carga en cualquier grado de descarga de la batería.

Pero aquí también hay una mosca en el ungüento: las baterías de algunos fabricantes tienen garantizado su funcionamiento solo a temperaturas positivas, tienen un precio elevado (aproximadamente el doble que las baterías de NiCd) y son susceptibles al proceso de envejecimiento. incluso si la batería no se utiliza. El deterioro de los parámetros se observa aproximadamente después de un año desde la fecha de fabricación.

Después de dos años de servicio, la batería suele fallar.

Por lo tanto, no se recomienda almacenar las baterías de iones de litio durante mucho tiempo. Aprovéchalos al máximo mientras sean nuevos.

Además, las baterías de iones de litio deben almacenarse cargadas. Cuando se almacenan durante mucho tiempo en un estado de descarga profunda, fallan.

Las baterías de iones de litio son las más caras en la actualidad.

Mejorando su tecnología de producción y sustituir el óxido de cobalto por un material menos costoso podría reducir su coste hasta un 50% en los próximos años.

Baterías de polímero de litio.

En la interpretación internacional, la designación se acepta como BATERÍA DE POLIMERO DE LITIO o Li-Pol para abreviar.

Las baterías de polímero de litio son la última innovación en tecnología de litio.

Al tener aproximadamente la misma densidad de energía que las baterías de iones de litio, las baterías de polímero de litio se pueden fabricar en diversas formas geométricas plásticas, no tradicionales de las baterías convencionales, incluidas aquellas de espesor bastante fino y capaces de llenar cualquier espacio libre en el equipo en desarrollo.

Esta batería, también llamada “de plástico”, es estructuralmente similar a la de Li-ion, pero tiene un electrolito de gel.

Como resultado, es posible simplificar el diseño de la celda, ya que cualquier fuga de electrolito es imposible.

Las baterías Li-pol se están empezando a utilizar en ordenadores portátiles y teléfonos móviles.

Por ejemplo, los teléfonos móviles Panasonic GD90 y Ericsson T28s (estándar GSM 900/1800) están equipados con baterías de polímero de litio de sólo 3 mm de espesor y tienen una capacidad suficiente para funcionar durante 3 horas en modo de conversación y hasta 90 horas en modo de espera.

Pilas de combustible.

Motorola está desarrollando actualmente una pila de combustible en miniatura que se puede utilizar como fuente de energía. batería para pequeños ordenadores, teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos.

Según la empresa, esta tecnología aumentará 10 veces la vida útil de las baterías.

Motorola está trabajando en este proyecto junto con especialistas del Laboratorio Nacional de Los Álamos. Según los desarrolladores, este tipo de pilas de combustible aparecerán a la venta en 3 años.

Hasta el momento sólo existe un prototipo de pila de combustible.

Su superficie es de 6,45 m2. cm, y el espesor es de unos 2,5 mm.

Utiliza alcohol metílico líquido que, al reaccionar químicamente con el oxígeno, produce una corriente eléctrica.

Según los desarrolladores, las pilas de combustible podrán alimentar teléfonos móviles durante más de un mes y pesarán mucho menos que las baterías convencionales.

No todos los fabricantes de baterías ofrecen a los consumidores la misma información necesaria sobre las características de sus productos.

Panasonic es una agradable excepción en este sentido.

Su sitio web proporciona información detallada sobre las baterías de NiCd, NiMH y Li-ion que produce: apariencia; dispositivo interno; reacciones electroquímicas que ocurren dentro de la batería; peculiaridades; características principales: carga, descarga, número de ciclos de carga/descarga, almacenamiento (autodescarga), seguridad, así como diversas recomendaciones.

A continuación, con el permiso de LANDATA, se muestra una tabla de características comparativas de los tipos de baterías más comunes.

Notas:

1. Sujeto a un mantenimiento adecuado y regular, el número de ciclos de carga puede alcanzar los 4.000 frente a los 1.500 ciclos garantizados por el fabricante. Sin ciclos de formación, el número de ciclos de trabajo se puede reducir tres veces.
2. El número de ciclos de trabajo depende de la profundidad de la descarga. Una profundidad de descarga poco profunda proporcionará más ciclos.
3. La autodescarga prácticamente se detiene después de las primeras 24 horas después de que la batería está completamente cargada. La autodescarga de las baterías de NiCd es del 10% durante las primeras 24 horas y luego disminuye al 10% mensual. La autodescarga aumenta al aumentar la temperatura.
4. El circuito de protección incorporado consume alrededor del 3% por mes.
5. 1,25 es el valor de voltaje de un elemento, 1,2 se encuentra a menudo en la literatura. y descripciones. Ambos valores se refieren al mismo tipo de elemento.
6. 2,5-3,0 dependiendo del material del electrodo positivo.
7. Se permite una corriente de carga de corta duración de hasta 1C.
8. Aplica sólo al alta; el rango de temperatura de carga es más limitado.
9. El valor del costo se proporciona en el momento en que se creó la tabla.