sábado, 3 de marzo de 2012

Baterías recargables: Conceptos básicos

Introducción

Las baterías generan electricidad por procesos químicos. Las pilas comunes de carbón generan electricidad por un proceso irreversible, una vez descargada, la pila debe ser descartada. Las baterías diseñadas para ser utilizadas una sola vez son también llamadas baterías primarias.
En este artículo nos concentramos en las baterías recargables, o secundarias. En estas baterías el proceso químico es reversible, y mediante el proceso de carga, la batería queda preparada para un nuevo uso.

Algunas definiciones y parámetros principales de las baterías:

Química
Todas las pilas, primarias y secundarias, están basadas celdas básicas que contienen dos electrodos y un electrolito. Las baterías más utilizadas el día de hoy están basadas en tres elementos químicos: plomo, níquel y litio. Estos elementos usados en los electrodos, combinados con otros materiales, determinan las capacidades básicas de la batería.

Tensión
Cada celda de una batería genera una tensión determinada por la química de los elementos que la componen.

Capacidad 
Medida normalmente en Ah. Una batería de 1Ah puede teóricamente entregar un amperio durante una hora antes de descargarse completamente. En general los fabricantes inflan este factor, y es incorrecto utilizarlo como único parámetro de diseño.

Densidad de energía
Es la relación entre el peso de la batería y la energía que puede entregar. Una manera de expresar la energía es en Wh. (Energía = Potencia x tiempo. Potencia en Watt y tiempo en horas).

C-rate o relación de carga y descarga
Es la corriente de carga y descarga recomendada (o máxima), comparada con la capacidad. Una batería de 1Ah con un  C-rate de 1 teóricamente durará una hora entregando una corriente de 1A.
La relación entre corriente de descarga y la capacidad NO es lineal. Un ejemplo real: La hoja de datos de un fabricante muestra que una batería de vehículo descargada a 0.2C puede durar cinco horas, mientras que si la usamos a 0.6C durará solamente una hora.

Resistencia interna
Una fuente de tensión ideal tiene una resistencia en serie nula. Las baterías tienen resistencias internas de centenares de miliOhm, que obviamente generan pérdidas.

No hay una batería que sea mejor que las otras, todas tienen ventajas y desventajas y la elección depende de la aplicación. Incluso dentro de un tipo determinado de baterías podemos encontrar optimizaciones para tipos distintos de aplicaciones.

Tipos más comunes de baterías 

De plomo
Robustas y económicas, son pesadas y pueden requerir mantenimiento. Se las usa en vehículos a nafta, carros eléctricos, UPS y sistemas con paneles solares.Las baterías para coches necesitan soportar altos picos de corriente en el arranque, y a cambio, exigen que la descarga no sea profunda. Otras baterías, por ejemplo para aplicaciones solares, permiten descarga profunda pero no soportan altas corrientes de pico.

Níquel cadmio (NiCd)
Una de las primeras químicas modernas. Tienen un gran ciclo de vida y pueden entregar grandes corrientes, siendo también económicas. El cadmio, como también el plomo, son sumamente tóxicos y por eso se han buscado reemplazos para estas baterías cuyo uso está en descenso.

Níquel metal (NiMh)
El desarrollo más popular para usos hogareños sin la toxicidad de las de níquel cadmio.

Litio (Li-ion)
Las pilas de litio son el desarrollo más reciente, con muy buena densidad de energía y alta corriente de descarga (C-rate) son las preferidas en aplicaciones de aeromodelismo. Son bastante peligrosas por lo que requieren circuitos de protección que aumentan su costo.

A continuación veremos una tabla que compara algunos parámetros de las pilas recargables más comunes, sin dejar de recordarles que este artículo es una introducción muy genérica sin adentrarse en las complejidades de cada sub-tipo (las baterías de Li-ion, por ejemplo, incluyen varios sub-tipos populares: cobalto, manganeso, polímero, etc.).


Plomo
NíCd
NiMh
Li-ion
Tensión nominal de celda
2V
1.2V
1.2V
3.6V
Ciclos de carga y descarga
250
1.000
400
750
Corriente de descarga recomendada
0.2C
1C
0.5C
< 10C
Densidad de energía
Baja
Baja
Media
Alta
Resistencia interna de cada celda en miliOhm
 < 20
20 - 40
40 - 60
25 – 75
(se agregan 100 miliOhm por el circuito de protección)
Carga rápida
8 horas
1 hora
2 horas
< 1 hora
Auto descarga por mes
5%
20%
30%
< 10%

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