9.5: Tipos de baterías
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Variedad de baterías
Una batería ideal tiene muchas cualidades deseables. Debería:
- tienen alta densidad de energía específica y energía
- no contienen productos químicos tóxicos para que sea respetuoso con el medio ambiente y fácil de desechar de forma segura
- ser seguro de usar
- ser económico
- ser recargable
- no requieren un procedimiento complicado para recargar
- ser capaz de emitir gran corriente
- ser capaz de soportar una amplia gama de temperaturas
- producir una salida de voltaje constante a lo largo de su vida útil (tener una curva de descarga plana)
- permanecer cargado durante mucho tiempo mientras está en almacenamiento
El listado anterior no está completo, y no está en ningún orden en particular. Se necesitan compensaciones porque muchas de estas cualidades se contradicen inherentemente. Por ejemplo, un dispositivo con una alta energía específica requiere necesariamente más precauciones de seguridad y uso controlado que un dispositivo con baja energía específica.
Las baterías se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, por lo que un tipo no es mejor en todas las situaciones. Como ejemplo, una batería de encendido de automóvil debe ser recargable, tener alta capacidad, generar gran corriente y operar en un amplio rango de temperatura. Sin embargo, las baterías de los automóviles no requieren energías específicas particularmente altas. Como otro ejemplo, las baterías diminutas se utilizan para alimentar sistemas microelectromecánicos como las microbombas [142] [143]. Estas baterías deben tener alta energía específica y poder ser producidas en paquetes pequeños. Algunos incluso están integrados en circuitos integrados [144] [145].
Una forma de clasificar las baterías es como primaria o secundaria. Una batería primaria se usa una vez y luego se desecha. Una batería secundaria es una batería recargable. Las baterías primarias tienen la ventaja de la simplicidad [128, ch. 8]. No requieren mantenimiento, por lo que son fáciles de usar. Además, su construcción puede ser más simple que las baterías secundarias porque no necesitan circuitos adicionales incorporados para monitorear o controlar el proceso de recarga. A menudo también tienen alta energía específica [128, ch. 8]. Vienen en una variedad de tamaños y formas, y están hechos con una variedad de materiales de electrodos y electrolitos. Muchas baterías alcalinas y de iones de litio están diseñadas para ser baterías primarias. Las baterías secundarias tienen la ventaja obvia de no producir tantos desechos que terminan en un relleno sanitario. Además, el usuario no necesita comprar continuamente reemplazos. Si bien las baterías secundarias pueden costar más inicialmente, pueden ser más económicas a largo plazo. A menudo están diseñados para recargarse miles de veces [128, ch. 15]. Muchas baterías secundarias tienen una curva de descarga muy plana, por lo que producen un voltaje constante durante todo el uso, incluso en múltiples ciclos de carga [128, cap. 15]. Dos de los tipos más comunes de baterías secundarias son baterías de plomo-ácido y baterías de litio.
Hay muchos tipos de baterías, que se distinguen por la elección de electrolitos y electrodos. En esta sección se discuten cuatro tipos de baterías comunes: plomo-ácido, alcalinas, hidruro metálico de níquel y litio. No todas las baterías encajan en una de estas familias. Algunos dispositivos, como las baterías de aire de zinc, son aún más difíciles de categorizar. Las baterías de zinc aire son en realidad híbridos de celdas de combustible de baterías porque el zinc del ánodo se consume como en el funcionamiento de la batería mientras que el oxígeno del aire se consume como en el funcionamiento de la celda de combustible. No obstante, al considerar estas cuatro clases, veremos parte de la variedad disponible. Para una discusión más exhaustiva y enciclopédica de los tipos de baterías, ver la referencia [128].
Tabla\(\PageIndex{1}\) resume pilas de ejemplo de cada uno de estos cuatro tipos. Las tres primeras filas enumeran ejemplos de materiales utilizados para fabricar el ánodo, el cátodo y el electrolito para las baterías. Los materiales enumerados en la tabla son solo ejemplos, por lo que las baterías de cada tipo también se pueden hacer con una variedad de otros materiales. Las dos filas siguientes dan valores aproximados para la energía específica en unidades de\(\frac{W \cdot h}{kg}\). Todos los valores son valores aproximados para dispositivos representativos proporcionados para dar un valor aproximado para la comparación, no necesariamente valores para un dispositivo en particular. La quinta fila enumera valores de ejemplo para la energía específica teórica de la reacción química involucrada, mientras que la sexta fila enumera valores de energía específicos de ejemplo para dispositivos prácticos que son necesariamente más bajos que los valores teóricos. Los valores de energía específicos en la tabla se pueden comparar con la energía específica de varios otros materiales o dispositivos de conversión de energía enumerados en el Apéndice D.
| Plomo ácido | Alcalino | Litio | Níquel hidruro metálico | |
|---|---|---|---|---|
| Ejemplo de material de ánodo | Pb | Zn | Li | LaNi\(_5\) |
| Ejemplo de material de cátodo | PbO\(_2\) | MnO\(_2\) | CF o MnO\(_2\) | NioOh |
| Ejemplo de electrolito | H\(_2\) SOH\(_4\) | KOH o NaOH | Disolventes orgánicos y LiBF\(_4\) | KOH |
| Aplicaciones de ejemplo | Encendido de autos | Juguetes | Celulares, Dispositivos médicos | Herramientas eléctricas |
| Energía teórica específica,\(\frac{W \cdot h}{kg}\) | 252 | 358 | 448 | 240 |
| Energía específica práctica,\(\frac{W \cdot h}{kg}\) | 35 | 154 | 200 | 100 |
| Referencias | [128, p. 15.11] [140] | [128, p. 8.10] [140] | [128, p. 15.1, p. 31.5] | [128, p. 15.1] [146] |
Plomo ácido
Las baterías de plomo-ácido son baterías secundarias que normalmente tienen un ánodo de Pb y un cátodo de PbO\(_2\) [128, cap. 15]. El electrolito es una solución líquida del ácido H\(_2\) SO\(_4\) que se ioniza en 2H\(^+\) y SO\(_4^{2-}\). La reacción en el ánodo es
\[\mathrm{Pb}+\mathrm{SO}_{4}^{2-} \rightarrow \mathrm{PbSO}_{4}+2 e^{-} \nonumber \]
con un potencial redox de\(V_{rp} = 0.37\) V [140]. La reacción en el cátodo es
\[\mathrm{PbO}_{2}+\mathrm{SO}_{4}^{2-}+4 \mathrm{H}^{+}+2 e^{-} \rightarrow \mathrm{PbSO}_{4}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \nonumber \]
con un potencial redox de\(V_{rp} = 1.685\) V [140]. El voltaje general de la celda es\(V_{cell} = 2.055\) V, por lo que en una batería de automóvil, seis celdas están empaquetadas en serie.
Las baterías de plomo-ácido tienen una larga historia. El desarrollo de la batería data de la obra de Volta alrededor de 1795 [3, p. 2], y las prácticas baterías de plomo-ácido fueron desarrolladas por primera vez alrededor de 1860 por Raymond Gaston Planté [128, p. 16.1.1]. Hoy en día, las baterías de plomo-ácido se utilizan para iniciar el sistema de encendido en automóviles y camiones, se utilizan como sistemas de energía de respaldo estacionarios y se utilizan en otras aplicaciones que requieren gran capacidad y gran corriente de salida. Por lo general, las baterías de plomo-ácido pueden manejar una corriente relativamente alta y funcionan bien en un amplio rango de temperatura [128, p. 15.2]. Adicionalmente, tienen una curva de descarga plana [128, p. 15.2]. Otros tipos de baterías tienen una mayor densidad de energía y energía específica, por lo que las baterías de plomo-ácido se utilizan en situaciones donde la energía específica es menos preocupante que otros factores.
Alcalino
Las baterías alcalinas suelen tener un ánodo de zinc y un\(_2\) cátodo de MnO de dióxido de manganeso [128, p. 8.10]. La figura\(\PageIndex{1}\) muestra dióxido de manganeso natural (el mineral oscuro) en feldespato (el mineral blanco) de la mina Ruggles cerca de Grafton, New Hampshire. Las baterías se denominan alcalinas debido al uso de un electrolito alcalino, típicamente una solución líquida de hidróxido de potasio KOH [128, p. 8.10]. La mayoría de las pilas alcalinas son baterías primarias, pero algunas baterías alcalinas secundarias están disponibles. Las pilas alcalinas tienen muchas propiedades agradables. Pueden manejar salidas de alta corriente, son económicas y funcionan bien en un amplio rango de temperatura [128, p. 8.10]. Sin embargo, una limitación es que tienen una curva de descarga inclinada [128, p. 8.10]. Las baterías alcalinas se desarrollaron originalmente para aplicaciones militares durante la Segunda Guerra Mundial [128, ch. 8]. Se hicieron disponibles comercialmente en 1959, y se hicieron populares en la década de 1980 con mejoras en su calidad [128, p.11.1]. Se usan comúnmente hoy en día en electrónica, juguetes y gadgets económicos.
Níquel hidruro metálico
Las baterías de hidruro metálico de níquel tienen un ánodo hecho de una aleación de níquel metálico saturado con hidrógeno. Un ejemplo de aleación utilizada es LaNi\(_5\) [146]. Otro átomo de tierras raras puede reemplazar al lantano [146], y otras aleaciones como TiNi\(_2\) o ZrNi\(_2\) saturadas con hidrógeno también se utilizan como materiales anódicos [146]. El cátodo está típicamente hecho de un óxido de níquel, y el electrolito es hidróxido de potasio, KOH [128, p. 15.11]. La reacción en el ánodo es [146]
\[\text { Alloy }(\mathrm{H})+\mathrm{OH}^{-} \rightarrow \text { Alloy }+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+e^{-} \nonumber \]
y la reacción en el cátodo es [146]
\[\mathrm{NiOOH}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+e^{-} \rightarrow \mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_{2}+\mathrm{OH}^{-}. \nonumber \]
Esta reacción catódica tiene un potencial redox de\(V_{rp} = 0.52\) V [137].
Las baterías de hidruro metálico de níquel tienen muchas ventajas. Tienen una curva de descarga plana. Se trata de baterías secundarias que se pueden cargar de manera confiable muchas veces [128, p. 15.1] [147]. Adicionalmente, son mejores para el medio ambiente que las baterías de níquel-cadmio relacionadas, por lo que hay menos restricciones sobre cómo pueden desecharse de manera segura [147]. Sin embargo, no tienen una densidad de energía tan alta como las baterías de litio [147]. Las baterías de hidruro metálico de níquel se desarrollaron por primera vez en la década de 1960 para aplicaciones satelitales, y la investigación sobre ellas se aceleró en las décadas de 1970 y 1980. En su momento, se usaban en las primeras computadoras portátiles y celulares, pero hoy en día se utilizan baterías de litio en estas aplicaciones [128, p. 22.1]. Se encuentran ahora en algunas herramientas portátiles, en algunas cámaras, y en algunos electrónicos que requieren ciclos de recarga repetidos o que requieren una salida de alta corriente. La Estación Espacial Internacional está alimentada por 48 unidades de reemplazo orbitales, y cada unidad de reemplazo orbital contiene 38 celdas de batería de níquel-hidrógeno. La figura\(\PageIndex{2}\) ilustra una unidad de reemplazo orbital [148].
Litio
El litio tiene una alta energía específica, por lo que es muy reactivo y una buena opción para la investigación de baterías. Por esta razón, se han desarrollado muchas químicas de baterías diferentes que utilizan litio. El ánodo puede estar hecho de litio o carbono [128, ch. 8,15]. Los posibles materiales catódicos incluyen MnO\(_2\)\(_2\), LiCo y FeS\(_2\) [128, ch. 8,15]. Los electrolitos pueden ser líquidos o sólidos. Un posible electrolito es la mezcla de un disolvente orgánico como carbonato de propileno y dimetoxietano mezclado con sales de litio como LiBF\(_4\) o LiClO\(_4\) [128, p. 31.5]. La figura\(\PageIndex{3}\) muestra lepidolita, un mineral que contiene litio de composición K (Li, Al)\(_{2-3}\) (AlSi\(_3\) O\(_{10}\)) (O, OH, F)\(_2\), de la mina Ruggles cerca de Grafton, New Hampshire.
Las baterías de litio han estado en desarrollo desde la década de 1960, y fueron utilizadas en la década de 1970 en aplicaciones militares [128, p. 14.1]. Las baterías de litio primarias y secundarias están disponibles hoy en día. Son populares debido a su alta densidad de energía específica y energía. Se utilizan en muchos bienes de consumo, incluidos teléfonos celulares, computadoras portátiles, dispositivos electrónicos portátiles, audífonos y otros dispositivos médicos [149]. Muchas baterías de litio están diseñadas para emitir una corriente relativamente baja para evitar daños, y las baterías de litio secundarias requieren una recarga controlada para evitar daños [128, cap. 15]. Aun con estas limitaciones, cada mes se producen más de 250 millones de células [128, ch. 15].
