Batería (electricidad)

En los países que no hacen la diferencia anteriormente expuesta, los elementos suministradores de electricidad se clasifican en dos categorías:

• Las celdas primarias, lo que antes se han llamado pilas no-recargables, transforman la energía química en energía eléctrica, de manera irreversible (dentro de los límites de la práctica). Cuando se agota la cantidad inicial de reactivos presentes en la pila, la energía no puede ser fácilmente restaurada o devuelta a la celda electroquímica por medios eléctricos.[4]
• Las celdas secundarias, lo que antes se han llamado baterías o pilas recargables, que pueden ser recargadas sin más que revertir las reacciones químicas en su interior mediante el suministro de energía eléctrica a la celda hasta el restablecimiento de su composición original.[5]

Las celdas primarias (de un solo uso o de "usar y tirar") se usan una vez y se desechan; los materiales de los electrodos se cambian irreversiblemente durante la descarga. Los ejemplos más comunes son la pila alcalina no recargable utilizada para linternas y una multitud de dispositivos portátiles.

Las celdas secundarias (recargables) se pueden descargar y recargar varias veces, debido a que la composición original de los electrodos puede ser restaurado por la corriente inversa. Los ejemplos incluyen las baterías de ácido-plomo usadas en los vehículos, las baterías de iones de litio utilizadas en dispositivos electrónicos portátiles, como móviles, tabletas y ordenadores y las baterías recargables de Ni-HM, utilizadas como alternativa o reemplazo de las pilas alcalinas en dispositivos electrónicos portátiles que las emplean, como cámaras fotográficas digitales, juguetes, radios portátiles, radiograbadores, linternas, reproductores de MP3 y Minidisc, entre otros.

La tensión o diferencia de potencial (en voltios) es el primer parámetro a considerar, pues es el que suele determinar si el acumulador conviene al uso al cual se le destina. Viene fijado por el potencial de reducción del par redox utilizado; suele estar entre 1 V y 4 V por elemento.

Se la define como el trabajo realizado sobre la unidad de carga circulante. La unidad de tensión es el voltio, de ahí que se llame a menudo voltaje. Matemáticamente:

${\displaystyle V={\frac {dW}{dq}}}$

Donde:

${\displaystyle V}$ : voltaje (voltios)

${\displaystyle W}$ : trabajo (julios)

${\displaystyle q}$ : carga (culombios)

Simplificando mucho, mediante una analogía mecánica, la diferencia de potencial es como la altura de una cascada de agua. Cuanto más alta sea la cascada, mayor será la energía disponible para mover una noria. Una cascada de agua de altura pequeña moverá poco la rueda, realizará poco trabajo. Una cascada de mayor altura moverá mucho la rueda, realizará más trabajo. Por ello si se quiere obtener más trabajo se necesita una pila de tensión superior. Por ejemplo en autos radio controlados, cuanto más voltaje tenga la batería será mayor la potencia que mueve el automóvil.

Es la carga eléctrica neta (medida en culombios) transferida a través de una sección transversal de un conductor por unidad de tiempo. Su definición formal es

${\displaystyle I={\frac {dq}{dt}}}$

Donde:

${\displaystyle I}$ : intensidad de la corriente (amperios)

${\displaystyle q}$ : carga (culombios)

${\displaystyle t}$ : tiempo (segundos)

Siguiendo la analogía anterior, la intensidad de la corriente eléctrica es como el flujo o corriente de agua de la cascada que mueve la noria. En motores de corriente continua cuanto mayor es la corriente mayor será el par motor que puede suministrar. Siendo simplista más potencia podrá desarrollar dicho motor.

La capacidad de carga o capacidad del acumulador es la carga que puede almacenar el elemento. Se mide en amperios-hora (Ah) y es el segundo parámetro a considerar. En las baterías de baja capacidad de carga, suele expresarse en miliamperios-hora (mAh).

Una capacidad de carga de 1 amperio-hora significa que la batería puede suministrar una intensidad de corriente de 1 A durante 1 hora antes de agotarse. Entre una batería o pila de 1200 mAh y otra de 2400 mAh, la segunda durará más tiempo (el doble) porque tiene más carga eléctrica almacenada. En un equipo eléctrico se pueden colocar pilas con cualquier capacidad de carga, ya que esta tan solo influye en la duración de funcionamiento.

Especial importancia tiene en algunos casos la intensidad de corriente máxima que puede suministrar la batería, medida en amperios (A); p. ej., los motores de arranque de los automóviles, cuando se ponen en funcionamiento, exigen intensidades de corriente muy grandes a la batería (centenas de A) durante un breve tiempo.

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

${\displaystyle Q=I\,t=I\,(3600\,t_{h})}$

Donde:

${\displaystyle Q}$ : carga eléctrica (culombios)

${\displaystyle I}$ : intensidad (amperios)

${\displaystyle t}$ : tiempo (segundos)

${\displaystyle t_{h}}$ : tiempo (horas)

Por tanto, la carga eléctrica en las distintas unidades es:

${\displaystyle 1\ \mathrm {Ah} =3600\ \mathrm {C} \qquad \mathrm {y} \qquad 1\ \mathrm {C} =0,278\ \mathrm {mAh} }$

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

${\displaystyle W=P\,t=P\,(3600\,t_{h})}$

Donde:[6]

${\displaystyle W}$ : energía (julios)

${\displaystyle P}$ : potencia (vatios)

${\displaystyle t}$  : tiempo (segundos)

${\displaystyle t_{h}}$ : tiempo (horas)

Por tanto las equivalencias entre unidades son:[6]

${\displaystyle 1\ \mathrm {Wh} =3600\ \mathrm {J} \qquad \mathrm {y} \qquad 1\ \mathrm {J} =0,278\ \mathrm {mWh} }$

Como ${\displaystyle P=I\,V}$

Donde:[6]

${\displaystyle P}$ : potencia

${\displaystyle I}$ : intensidad

${\displaystyle V}$ : diferencia de potencial

La equivalencia de unidades se puede expresar como:

${\displaystyle 1\ \mathrm {Wh} =1\ \mathrm {AhV} }$

(La energía se obtiene multiplicando la capacidad por la diferencia de potencial).

Téngase en cuenta que cuando se dan indicaciones en el cuerpo de las baterías o en sus envases, tales como «Cárguese a 120 mA durante 12 horas», si se exceden estos requisitos, 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 fuese 1200 mAh y se le aplicara una corriente de carga de 120 mA durante 12 horas, 120 · 12 = 1440 mAh, 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.

La resistencia de las baterías es muy inferior a la de las pilas, lo que les permite suministrar intensidades de corriente mucho más intensas que las de estas, sobre todo de forma transitoria. Por ejemplo, la resistencia interna típica de una batería de plomo-ácido es del orden de 6 mΩ (miliohmios) y la de otra de Ni-Cd, de 9 mΩ.

Otra de las características importantes de una batería es su masa y la relación entre ella y la capacidad eléctrica (Ah/kg) o la energía (Wh/kg) que puede suministrar. En algunos casos puede ser también importante el volumen que ocupe (Ah/m³) o (Ah/litro).

El rendimiento es la relación porcentual entre la energía eléctrica recibida en el proceso de carga y la que el acumulador entrega durante la descarga. La batería de plomo-ácido tiene un rendimiento de más del 90 %. las baterías Ni-Cd un 83 %.

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 esta sufra daños. Se calcula como sigue:

${\displaystyle C={\frac {X}{1000}}}$

Donde:

${\displaystyle C}$ : constante de carga o descarga

${\displaystyle X}$ : capacidad en mAh de la batería

En el mercado, por ejemplo, las pilas LiPo vienen rotuladas con 20C o similares, este número indica la máxima capacidad de descarga y se destaca en los rótulos porque según el uso que se les dé, por ejemplo para radioaficionados que compiten en carreras de auto o aviones les indicará el tiempo de vuelo, la duración variará.

Ejemplo

Para una pila LiPo de 1200 mAh, ${\displaystyle C={\frac {1200}{1000}}={1,2}}$

Luego el fabricante colocaría «No cargue la batería a más de 1C», entonces 1·1,2 = 1,2, por lo que no se debería cargar a más de 1,2 A.

También señala «No descargue la batería a más de 7C», entonces 7·C = 7·1,2 = 8,4, por lo que no deberíamos descargar la LiPo del ejemplo con una intensidad mayor de 8,4 A.

El efecto memoria es un efecto no deseado que afecta a las baterías y por el cual en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada). La consecuencia es la reducción de su capacidad para almacenar energía.

Batería de ebonita con terminales expuestos.

Está constituida por dos electrodos de plomo, de manera que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo (II) (PbSO₄) incrustado en una matriz de plomo metálico en el elemento metálico (Pb); el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico.

Su funcionamiento es el siguiente:

Carga

Durante el proceso de carga inicial, el sulfato de plomo (II) pierde electrones o se reduce a plomo metal en el polo negativo (cátodo), mientras que en el ánodo se forma óxido de plomo (IV) (PbO₂). Por lo tanto, se trata de un proceso de dismutación. No se libera hidrógeno, ya que la reducción de los protones a hidrógeno elemental está cinéticamente impedida en la superficie de plomo, característica favorable que se refuerza incorporando a los electrodos pequeñas cantidades de plata. El desprendimiento de hidrógeno provocaría la lenta degradación del electrodo, ayudando a que se desmoronasen mecánicamente partes del mismo, alteraciones irreversibles que acortarían la duración del acumulador.

Descarga

Durante la descarga se invierten los procesos de la carga. El óxido de plomo (IV), que ahora funciona como cátodo, se reduce a sulfato de plomo (II), mientras que el plomo elemental se oxida en el ánodo para dar igualmente sulfato de plomo (II). Los electrones intercambiados se aprovechan en forma de corriente eléctrica por un circuito externo. Se trata, por lo tanto, de una conmutación. Los procesos elementales que trascurren son los siguientes:[7]

PbO₂ + 2 H₂SO₄ + 2 e^– → 2 H₂O + PbSO₄ + SO₄^2–

Pb + SO₄^2– → PbSO₄ + 2 e^–

En la descarga baja la concentración del ácido sulfúrico, porque se crea sulfato de plomo (II) y aumenta la cantidad de agua liberada en la reacción. Como el ácido sulfúrico concentrado tiene una densidad superior a la del ácido sulfúrico diluido, la densidad del ácido puede servir de indicador para el estado de carga del dispositivo.

Ciclos y vida

No obstante, este proceso no se puede repetir indefinidamente, porque, cuando el sulfato de plomo (II) forma cristales, ya no responden bien a los procesos indicados, con lo que se pierde la característica esencial de la reversibilidad. Se dice entonces que la batería se ha «sulfatado» y es necesario sustituirla por otra nueva. Las baterías de este tipo que se venden actualmente utilizan un electrolito en pasta, que no se evapora y hace mucho más segura y cómoda su utilización.

Ventajas

• Bajo costo.
• Fácil fabricación.

Desventajas

• No admiten sobrecargas ni descargas profundas, viendo seriamente disminuida su vida útil.
• Altamente contaminantes.
• Baja densidad de energía: 30 Wh/kg.
• Peso excesivo, al estar compuesta principalmente de plomo; por esta razón su uso en automóviles eléctricos se considera poco lógico por los técnicos electrónicos con experiencia. Su uso se restringe por esta razón.

Características

• Voltaje proporcionado: 2 V/elemento.

Cuando varias celdas se agrupan para formar una batería comercial, reciben el nombre de vasos, que se conectan en serie para proporcionar un mayor voltaje. Dichos vasos se contienen dentro de una caja de polipropileno copolímero de alta densidad con compartimientos estancos para cada celda. La tensión suministrada por una batería de este tipo se encuentra normalizada en 12 voltios si posee 6 elementos o vasos para vehículos ligeros y 24 Voltios para vehículos pesados con 12 vasos. En algunos vehículos comerciales y agrícolas antiguos todavía se utilizan baterías de 6 voltios, de 3 elementos o vasos.

• Densidad de energía: 30 Wh/kg.

Usos

Este tipo de acumulador se sigue utilizando en muchas aplicaciones: en los automóviles (para el arranque), sistemas fotovoltaicos y en aplicaciones estacionarias como acumuladores para fuentes de alimentación ininterrumpidas para equipos médicos, informáticos, equipos de seguridad, etc.

Thomas A. Edison con su batería de níquel-hierro.

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. 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). El electrólito es alcalino, una disolución de un 20 % de potasa cáustica (KOH) en agua destilada.

Carga y descarga

Los electrodos no se disuelven en el electrolito, las reacciones de carga/descarga son completamente reversibles y la formación de cristales de hierro preserva los electrodos por lo cual no se produce efecto memoria lo que confiere a esta batería gran duración.[8] Las reacciones de carga y descarga son las siguientes:

Cátodo: 2 NiOOH + 2 H₂O + 2 e^– ↔ 2 Ni(OH)₂ + 2 OH^–

Ánodo: Fe + 2 OH^– ↔ Fe(OH)₂ + 2 e^–

(Descarga se lee de izquierda a derecha y carga de derecha a izquierda.)[9]

Ventajas

• Bajo costo.
• Fácil fabricación.
• Admite sobrecargas, repetidas descargas totales e incluso cortocircuitos sin pérdida significativa de capacidad.
• 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 en los electrodos y 1000 ciclos de descarga 100 % en el electrolito.[10] El electrolito se debe cambiar cada 20 años según instrucciones de uso redactadas por el propio Edison.[11]
• 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

Desventajas

• Solo posee una eficiencia del 65 %.^{[cita requerida]}

Características

• Voltaje proporcionado: 1,2 ~ 1,4 V
• Densidad de energía: 40 Wh/kg
• Energía/volumen: 30 Wh/l
• Potencia/peso: 100 W/kg

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 de tan solo 50 Wh/kg, lo que hace que tengan poca capacidad.

Ventajas

• Admiten un gran rango de temperaturas de funcionamiento.
• Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no admiten más carga, aunque no la almacena.

Desventajas

• Efecto memoria muy alto.
• Densidad de energía baja.

Características[12]

• Voltaje proporcionado: 1,2 V
• Densidad de energía: 50 Wh/kg
• Capacidad usual: 0,5 a 1,0 A (en pilas tipo AA)
• Efecto memoria: muy alto

Un cargador de baterías AA, válido para Ni-MH y Ni-Cd.

Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico.

Ventajas

• Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria.

Desventajas

• No admiten bien el frío extremo, reduciendo drásticamente la potencia eficaz que puede entregar.

Características

• Voltaje proporcionado: 1,2 V
• Densidad de energía: 80 Wh/kg
• Capacidad usual: 0,5 a 2,8 A (en pilas tipo AA)
• Efecto memoria: bajo

Las 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. Su desarrollo es más reciente, y permite llegar a altas densidades de capacidad. No admiten descargas y sufren mucho cuando estas suceden; por lo que suelen llevar acoplada circuitería adicional para conocer el estado de la batería, y evitar así tanto la carga excesiva como la descarga completa.

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 estas suceden.

Características

• Voltaje proporcionado:
  • A plena carga: entre 4,2 V y 4,3 V dependiendo del fabricante.
  • A carga nominal: 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 (este valor no es un límite, se recomienda).
• Densidad de energía: 115 Wh/kg
• Capacidad usual: 1,5 a 2,8 A (en pilas tipo AA)
• Efecto memoria: muy bajo

Usos

Móviles, tabletas, libros electrónicos, etc.

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.

Batería de polímero de litio (LiPo) de 11,1 V.

Cada celda tiene un voltaje nominal de 3,7 V, voltaje máximo 4,2 V y mínimo 3,0 V. Este último debe respetarse rigurosamente ya que la pila se daña irreparablemente a voltajes menores a 3 voltios. Se suele establecer la siguiente nomenclatura XSYP que significa X celdas en serie, e Y en paralelo. Por ejemplo 3s2p son dos baterías en paralelo, donde cada una tiene tres celdas o células. Esta configuración se consigue conectando ambas baterías con un cable paralelo.

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

Las baterías LiPo 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.

Usos

Su tamaño y peso las hace muy útiles para equipos pequeños que requieran potencia y duración, como manos libres bluetooth.

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).

Aunque los condensadores de alta capacidad 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 con su capacidad de almacenamiento de energía.

Por ello 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.

Aunque funcionan como acumuladores se les suele llamar condensadores, ya que condensan o almacenan la corriente eléctrica aunque esta fluctúe en el circuito.

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	30-55 Wh/kg	1,2 V	+ de 10 000	4-8h	10 %
Ni-Cd	48-80 Wh/kg	1,25 V	500	10-14h *	30 %
Ni-Mh	60-120 Wh/kg	1,25 V	1000	2h-4h *	20 %
Li-ion	110-160 Wh/kg	3,7 V	4000	2h-4h	25 %
Li-Po	100-130 Wh/kg	3,7 V	5000	1h-1,5h	10 %

* Las baterías de níquel se pueden cargar hasta en 30 minutos, con cargas rápidas, pero disminuye su vida y se calientan en exceso, siendo las únicas que admiten este tipo de cargas.

• Catalá de Alemany, J. (1963). Física general (3ª edición). Valencia: SABER. N.º Registro: V. 427 - 63, Depósito legal: V. 1927-1963.