Tipos de pilas y baterias asi como sus aplicaciones mas comunes

informacion sobre tipos de pilas y bateriuas asi como sus usos y comparativa

1. Pilas

2. ¿Qué es una batería?

3. Una batería eléctrica, también llamada pila o acumulador eléctrico, es un artefacto compuesto por celdas electroquímicas capaces de convertir la energía química en su interior en energía eléctrica. Así, las baterías generan corriente continua y, de esta manera, sirven para alimentar distintos circuitos eléctricos, dependiendo de su tamaño y potencia.

4. ¿Pila, batería o acumulador?

5. Los términos pila y batería provienen de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se agrupaban varios elementos (discos metálicos o celdas) para aumentar la corriente suministrada por el dispositivo. En unos casos se disponían uno encima de otro, se apilaban, y de ahí viene pila; y en otros casos se ponían uno junto a otro, en batería.

6. Celdas primarias y secundarias 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.

7. 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.

8. Características en general

9. Voltaje El voltaje o diferencia de potencial 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.

10. Capacidad de carga 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.

11. Energía 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)

12. Densidad energética La densidad energética es la cantidad de energía que puede almacenarse en un sistema, sustancia o región de espacio. La densidad energética puede medirse en energía por volumen o por masa. Cuanto mayor sea la densidad de energía de un sistema o material, mayor será la cantidad de energía que tiene almacenada.

13. Autodescarga de las baterías La autodescarga es un proceso por el cual una batería pierde su carga (aunque no este conectada a ningún aparato), con el paso del tiempo. Este fenómeno depende de la temperatura ambiente y acaba afectando a todos los tipos de baterías en mayor o menor rapidez. Por eso es aconsejable, si vamos a almacenar una batería durante un tiempo, que la carguemos al 100% antes de guardarla y que realicemos alguna carga de tanto en tanto. El proceso de autodescarga puede llegar a hacer inservible una batería, ya que si llega a agotarse del todo se sulfatarán las placas de su interior. Cuando esto sucede se dice que la batería se ha sulfatado.

14. Tipos de batería

15. Baterías de plomo acido 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.

16. 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. Ventajas: Bajo costo. Fácil fabricación.

17. 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.

18. Batería de plomo ácido inundada Las baterías plomo-ácido abiertas son las baterías monoblock más baratas del mercado. Compuestas, por la general, por 6 celdas de 2v (voltios) cada una conectadas en serie para dar 12v (voltaje más común en estas baterías).

19. Baterías de gel Las baterías de gel son baterías selladas que no precisan de mantenimiento (llenar con agua). Son de tipo VRLA (batería de ácido-plomo regulada por válvula). Se podría decir que estas baterías son una evolución de las plomo-ácido abiertas, ya que el electrolito, en lugar de estar en estado líquido, es una especie de masa espesa gelatinosa.

20. Estas baterías están más enfocadas a los sistemas fotovoltaicos, ya que soportan un gran número de ciclos de descarga profunda sin sufrir grandes daños. También son capaces de aguantar largos periodos de tiempo con cargas que solo alcancen el 80% de su capacidad.

21. Baterías AGM Las baterías AGM son otro tipo de batería sellada VRLA (batería de ácido-plomo regulada por válvula). Al igual que las de gel, están basadas en la tecnología de las baterías plomo-ácido y no precisan de mantenimiento. Las baterías AGM ( Absorbet Glass Mat, material absorbente de fibra de vidrio), tienen separadores de fibra de vidrio empapado con el electrolito.

22. Batería de Nickel-cadmio

23. Batería de Nickel-cadmio Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Se caracteriza por sus celdas selladas, por tener la mitad del peso y por ser más tolerante a altas temperaturas, que una batería de plomo-acido convencional. 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. Tiene una muy baja tasa de auto descarga. Desventajas Efecto memoria muy alto. Densidad de energía baja.

24. Características batería Nickel-cadmio 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

25. Batería de Nickel-hidruro metálico Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Es una extensión de la tecnología de NiCd , ofrece una mayor densidad de energía y el ánodo es hecho de metal hidruro evitando los problemas ambientales de la NiCd . Además su efecto memoria es casi despreciable . No es capaz de entregar alto picos de potencia , tiene un alto grado auto descarga y es muy peligrosa si es sobrecargada . Tiene una alta tasa de auto descarga . Aún es de precio elevado , aunque se estima que su costo disminuirá al producir vehículos eléctricos a gran escala .

26. Aplicaciones batería Ni-MH Incluyen todos los vehículos de propulsión totalmente eléctrica como: General Motors EV1, Honda EV Plus, Ford Ranger EV , Scooter Vectrix. Vehículos híbridos como el Toyota Prius, Honda Insight o las versiones híbridas de los Ford Escape, Chevrolet Malibu y Honda Civic Hybrid también las utilizan. El transporte público de la ciudad de Niza (Francia) cuenta con el tranvía de piso bajo Alstom Citadis . Varios modelos de robot la utilizan entre ellos el célebre prototipo humanoide ASIMO diseñado por Honda.

27. 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

28. Bateria ion-lition

29. 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

30. Batería de Ion-litio Es de una relativamente nueva tecnología, la cual ofrece una densidad de energía de 3 veces la de una batería plomo-ácido. Esta gran mejora viene dada por su bajo peso atómico 6,9 vs 209 para la de plomo. Además cuenta con el más alto voltaje por celda 3.5 [V], lo cual reduce el número de celdas en serie para alcanzar cierto voltaje, lo que reduce su costo de manufactura. Tiene una muy baja tasa de auto descarga. Rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso explosión. Requieren en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de su uso a otras aplicaciones.

31. Aplicaciones batería Ion-litio Su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música. Las baterías de Ión Litio al ser baterías más compactas permiten manejar más carga, lo que hay que tener en cuenta para lograr automóviles eléctricos prácticos.

32. 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.

33. 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

34. Baterias LIPO

35. 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.

36. Batería de Polímero-litio Es una batería de litio con un polímero sólido como electrolítico. Estas baterías tienen una densidad de energía de entre 5 y 12 veces las de Ni- Cd ó Ni-MH, a igualdad de peso. A igualdad de capacidad, las baterías de Li-Po son, típicamente, cuatro veces más ligeras que las de Ni-Cd de la misma capacidad. La gran desventaja de estas baterías es que requieren un trato mucho más delicado, bajo riesgo de deteriorarlas irreversiblemente o, incluso, llegar a producir su ignición o explosión. Un elemento de Li-Po tiene un voltaje nominal, cargado, de 3.7 V. Nunca se debe descargar una batería por debajo de 3.0 V por celda; nunca se la debe cargar más allá de 4.3 V por celda.

37. 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.

38. Comparación entre las baterías Tipo Energía/ peso Voltaje p o r elemento (V) Duración ( n ú m e r o de recargas) Tiempo de carga Auto-descarga por mes (% del total) Plomo 30-50 Wh/kg 2 V 1000 -3000* 8-16h 5 % 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 3,16 V 4000 2h-4h 25 % Li-Po 100-130 Wh/kg 3,7 V 5000 1h-1,5h 10% 43

39. Energía específica obtenida en laboratorios con las tecnologías actuales y prevista (posible) en mercado 2020 Los nuevos desarrollos

40. Baterías, Super y Ultracondensadores

41. Con los desarrollos en el campo de las nanotecnologías, en estos últimos años se está experimentando un avance extraordinario también en almacenamiento electroestático almacenamiento de la energía eléctrica directa por procedimientos estáticos - electroquímicos

42. Al m acena miento electroquímico Electrostático Energía almacenada E: E = 1/2 C V 2 Los Supercondensadores E l lar g o ca m i n o d es d e l o s  f h asta l o s F . C ult r a   m a y o r qu e C c o n v enc .

43. En Los supercondensadores contruidos con materiales carbonáceos, no se produce reacción química, por lo que su degradación con los ciclos de uso es extraordinariamente reducida. La acumulación de energía eléctrica en un supercondensador se produce, en principio, por la separación de cargas (en este caso iones) entre los dos electrodos, el ánodo alrededor del cual se concentran los aniones, y el cátodo, que concentra sobre su superficie los cationes. Esta separación es puramente electrostática, lo que explica la alta velocidad a la que ocurren los fenómenos de carga y descarga del condensador, así como su alta ciclabilidad. Los supercondensadores almacenan energía como campo eléctrico, lo cual los hace más eficientes que las baterías estándares, que obtienen su energía a partir de reacciones químicas Supercondensadores Electrochemical double layer ECDL

44. C is capacitance in Farads, Q charge in Coulombs, V is electric potential in Volts, ε is the dielectric constant of the dielectric, A is conductor surface area, d is dielectric thickness, and U is the potential energy. EL condensador electrostático convencional V=E.d U = ½ e A/d E2.d2 U = ½ e Vol. E2 El condensador convencional

45. Capacitance ~ Surface area Thickness Carbon powder surface area up to 3’000m 2 /g Electrochemical double layer ECDL

46. El almacenamiento de carga eléctrica ocurre mediante la acumulación de iones en la superficie interna, que forman una doble capa eléctrica en combinación con los electrones en el material conductor. Se emplea un electrolito líquido y un separador que impide el contacto electrónico entre las placas pero permite el flujo de iones durante la carga y descarga. El electrolíto líquido limita el dominio de voltaje de estabilidad de los supercondensores El condensador vs. Supercondensador En los supercondensadores basados en materiales carbonáceos no ocurre ninguna reacción química, por lo tanto los dispositivos no se degradan con los ciclos de uso.

47. Principle of electric double layer capacitor Electrochemical double layer ECDL

48. En los supercondensadores se dan dos efectos : Almacenamiento electrostático por acoplamiento de cargas frente a cada electrodo. Pseudocapacitancia , la interacción entre los iones formados en el el electrólito al aplicar la tensión, y la polarización de los átomos y moléculas en la superficie de los electrodos nanoestructurados, se producen los fenómenos “redox” pero sin intercambio de iones entre electrodos, localizándose el fenómeno en el entorno de cada electrodo. Esta interacción es tanto más potente, cuanto mayor sea la “porosidad” o mayores sean los espacios interreticulares de los electrodos, favoreciendo la intercalación del electrólito. Supercondensadores

49. C es la capacitancia, A es el área superficial, ε es la constante dieléctrica relativa del medio entre las dos capas (el electrolito), y δ es la distancia entre las dos capas (la distancia desde la superficie del electrodo para el centro de la capa de iones). Esta aproximación es más o menos correcta de soluciones electrolíticas concentradas. Las altas densidades de energía son por lo tanto alcanzable en EDLC debido a su alta capacitancia específica, alcanzado debido a una alta / electrolito interfaz de superficie- área de electrodo y una pequeña separación capa de carga de dimensiones atómicas. Supercondensadores U = ½ C V2 V = E d Modelo Helmholtz´s double layer Cond. convencional

50. En las nuevas batería de ión litio, los iones litio pasan del electrodo de grafito al electrodo de fosfato de hierro-litio (u otro), mediante un electrolito que resulta encargado de transportarlos. Por otra parte, los electrones realizan el recorrido entre electrodos a través de un circuito externo que les permite hacer un trabajo útil. Cuando la batería se recarga, tantos los iones de litio como los electrones discurren en sentido opuesto a como lo habían hecho en la fase de descarga. La velocidad con la que los iones litio pueden entrar y salir de los electrodos es lo que determina el tiempo que se necesita para cargar o descargar la batería. El grafito tiene una estructura abierta y es fácil que los electrones penetren en él. Sin embargo, en el caso del fosfato de hierro-litio y otros electrodos hechos de materiales similares, la estructura cristalina sólo permite la entrada y salida en una única dirección. Este hecho origina atascos que hacen que cada vez sea más lento el movimiento de los iones de litio por los filamentos de cobre. De la batería polimérica al supercondensador

51. Bateria Vs Supercondensador

52. En las nuevas batería de ión litio, los iones litio pasan del electrodo de grafito al electrodo de fosfato de hierro-litio (u otro), mediante un electrolito que resulta encargado de transportarlos. Por otra parte, los electrones realizan el recorrido entre electrodos a través de un circuito externo que les permite hacer un trabajo útil. Cuando la batería se recarga, tantos los iones de litio como los electrones discurren en sentido opuesto a como lo habían hecho en la fase de descarga. La velocidad con la que los iones litio pueden entrar y salir de los electrodos es lo que determina el tiempo que se necesita para cargar o descargar la batería. El grafito tiene una estructura abierta y es fácil que los electrones penetren en él. Sin embargo, en el caso del fosfato de hierro-litio y otros electrodos hechos de materiales similares, la estructura cristalina sólo permite la entrada y salida en una única dirección. Este hecho origina atascos que hacen que cada vez sea más lento el movimiento de los iones de litio por los filamentos de cobre. De la batería polimérica al supercondensador

53. Bateria Vs Supercondensador

54. Otras tecnologías De almacenamiento de energia

55. DESCRIPCIÓN TECNOLOGÍA - VOLANTE DE INERCIA TIPOLOGÍA// D ESCRIP C I Ó N // TECNOLOGÍAS// Volantes de Inercia Flywheel Energy Storage System (FESS) FESS de Baja Velocidad: que usan típicamente acero para la volante de inercia y rotan por debajo de las 60.000 rpm FESS de Alta Velocidad: Usan materiales compuestos avanzados en la volante como fibra de carbono y puede girar hasta las 1000.000 rpm Un FESS se alimenta de energía eléctrica y la almacena en forma de energía cinética, haciendo girar una masa llamada rotor el cual gira en un recinto casi sin fricción. Un FESS moderno esta compuesto por cinco elementos fundamentales: Una volante de inercia. Un grupo de rodamientos. Un motor/generador reversible. Una unidad electrónica. Una cámara de vacío. Actualmente la I+D en FESS se enfoca en: La mejora de materiales para mejorar su velocidad de rotación y densidad de energía, Moto generadores de alta velocidad. Y tecnología de rodamientos magnéticos.

56. DESCRIPCIÓN TECNOLOGÍA - BATERIAS DE FLUJO TIPOLOGÍA// DESCRIPCIÓN// TECNOLOGÍAS// Batería de flujo Flow _Batterie Energy Storage (FBES) Principales: Batería Redox (Tecnología mas madura) Baterías de flujo hibridas, entre estas están: Bromuro de Zinc (ZnBr). Hierro Cromo (ICB) Polisulfide Bromine (PSB) Otras Almacenan energía en dos sustancias solubles contenidas en dos tanques externos de electrolitos. Estos electrolitos pueden ser bombeados desde los tanques hasta el conjunto de celdas que consta de dos compartimientos por donde fluye el electrolito separados por una membrana. La operación esta basada en una reacción de reducción- oxidación entre las soluciones de electrolitos. Tienen la capacidad de actuar rápidamente ante demandas de energía debido a su alta respuesta de carga/descarga. Pueden proporcionar altas potencias durante cortos periodos de tiempo; sin embargo, poseen baja densidad de energía por volumen por lo que es necesario el uso de varias celdas para igualar la potencia en comparación a otras baterías. Otro factor a tener en cuenta es la complejidad del sistema y el costo de este. La potencia depende del tamaño y número de electrodos y la capacidad de almacenamiento de energía depende del volumen de los tanques de almacenamiento de electrolito externos, esto hace el sistema altamente escalable y simple.

57. Pilas de Combustible

58. Definición Energía Química (C o m bu sti b l e+ Oxidante) Energía E léc t rica Energía T érmica Energía M ecánica Una Pila de Combustible es un dispositivo electroquímico que convierte directamente la energía química en energía eléctrica. Máquinas Térmicas Límite de Carnot η m á x = 1 - T f / T c Pilas de Combustible

59. Membranas , Electrodos y “Stack”

60. Principio de básico de funcionamiento (Pilas PEM)

61. Fuel Cell Type Acronim Common Electrolyte Charge Carrier Temperature Polymer Electrolyte Membrane PEMFC Perfluorosulfonic acid H + <120°C Direct Methanol DMFC Perfluorosulfonic acid H + <100°C Alkaline, Alkaline Membrane Fuel Cell AFC AMFC aqueous KOH, alkaline polymer OH - <100°C Phosphoric Acid, Polymer Phosphoric Acid PAFC H 3 PO 4 , Polymer H 3 PO 4 H + 150–200°C Molten Carbonate MCFC (Li,K,Na)2CO 3 2 - CO 3 600–700°C Solid Oxide SOFC Yttria–Stabilized Zirconia (Zr.92Y.08O 2 ) O 2 - 500–1,000°C Tipos

62. T i p o de aplicación Transporte Estacionario Portátil Definición Unidades que proporcionan potencia de propulsión o extensión de rango a un vehículo Unidades que proporcionan electricidad (y a veces calor) pero que no están diseñadas para ser movidas Unidades que están integradas en productos diseñados para ser movidos, incluidas pequeñas unidades de potencia auxiliar (APU) Rango de potencia típico 1 kW a 300 kW 0.5 kW a 2 MW 1 W a 20 kW Tecnología típica P E M F C DMFC PEMFC MC F C AFC SO F C PAFC P E M F C DMFC SOFC Ejemplos Vehículos de manejo de mercancías. Vehículos eléctricos con pila de combustible (FCEV) Camiones y autobuses Vehículos ferroviarios Vehículos autónomos (aire, tierra o agua) Generación de potencia estacionaria principal y cogeneración (CHP) Pequeño cogenerador (micro-CHP) Fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) APU grandes permanentes (por ejemplo, camiones y barcos) Pequeñas APU móviles (autocaravanas, barcos, iluminación) Aplicaciones militares (energía portátil transportada por soldados, generadores montados en patines) Productos portátiles (linternas, cargadores de batería), pequeños dispositivos electrónicos personales (reproductor de mp3, cámaras) Aplicaciones

63. A diferencia de los motores de combustión interna, las pilas de combustible presentan más eficiencia a carga parcial,... … y, además, a diferencia de las turbinas de gas o a los ciclos combinados, los sistemas de pilas de combustible mantienen la eficiencia en unos rangos de potencia muy inferiores. Características de operación

64. Pilas de combustible en aplicaciones de transporte Dos ejemplos: Vehículos eléctricos con pilas de combustible. Vehículos para manejo de materiales y mercancías. Antonio González García-Conde

65. Vehículos Híbridos. Cadenas de tracción