Fuentes de Alimentación Baterías / Pilas

1. Fuentes de AlimentaciónBaterías / Pilas Corriente Continua

2. Definición • 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.

4. 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.

5. 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.

6. Historia El 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.

7. Historia En 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.

8. 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

9. 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)

10. 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)

11. 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)

12. 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)

13. 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)

14. 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)

15. 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 )

16. 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 – HidruroMetalico • Baterías de iones de litio (Li-ion) • Baterías de polímero de litio

17. 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.

18. 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.

19. Baterías de plomo-ácido (cont.) • Ventajas • Facil de Fabricar • TecnologiaFiable y bien conocida • Desventajas • No admiten sobrecargas, viendo seriamente disminuida su vida útil. • Contenido de Plomo y acidodañan el medioambiente. • La cargadura entre 8 y 10 horas. • Utilizacion mas conocida en los automovilespara el arranquey en aplicaciones estacionarias como acumuladores para fuentes de alimentación ininterrumpidas para equipos médicos, informáticos, equipos de seguridad.

20. 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)

21. 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

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH) • Compartencaracteristicas con las NI-CD peroson superiores • Reemplaza la composicion de CadmioporhidruroMetalico, eliminando el cadmioqueesmuycostoso y representa un peligro al medioambiente. • Ofrecenuna mayor capacidad en el mismotamano y peso quelas NI-CD • Voltaje nominal 1.2V • Hay queevitar la descargacompletayaque la bateria puededañarse.

27. 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.

28. 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.

29. 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)

30. Baterías de polímero de litio (LiPo) • 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. 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.

31. 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.

32. Otros Tipos de Acumuladores (1/2) Pilas de Combustible • Está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos. • Produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno. 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).

33. Otros Tipos de Acumuladores (2/2) Condensadores de alta capacidad • 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. 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.

34. Tabla comparativa de los diferentes tipos de acumulador

35. Definición

36. Funcionamiento

37. Características • Diferencia de potencial • Duración fuera de servicio

38. Historia

39. Tipos de acumuladores por su naturaleza Pila común o secas Pilas alcalinas Pilas alcalinas de manganeso

41. Tipos de pilas por forma y tamaño

42. Pilas y medio ambiente Una micropila de mercurio, puede llegar a contaminar 600.000 lde 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.”

43. Electromagnetismo de Estado Sólido I Profesores: • Vallhonrat, Carlos • Cingolani, Enrique Muchas Gracias! Anton, Matías Castromán, Hugo Cisneros, Edith Clementi, Adrián Contino, Leandro Graff, Walter 10/12/2013 - TN