El ámbito de aplicación de las baterías eléctricas es extremadamente amplio. Se utilizan como fuentes de electricidad en juguetes infantiles, y en herramientas eléctricas, y como fuente de tracción en vehículos eléctricos. Para usar correctamente las baterías, debe conocer sus propiedades, sus puntos fuertes y débiles.
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¿Qué es una batería eléctrica y cómo funciona?
batería eléctrica - es renovable fuente de energía eléctrica. A diferencia de las pilas galvánicas, después de descargarse, se puede volver a cargar. En principio, todas las baterías están dispuestas de la misma manera y constan de un cátodo y un ánodo colocados en un electrolito.
El material de los electrodos y la composición del electrolito pueden ser diferentes, y esto es lo que determina las propiedades de consumo de las baterías y su alcance.Entre el cátodo y el ánodo, se puede colocar un separador dieléctrico poroso, un separador impregnado con electrolito. Pero determina, en su mayor parte, las propiedades mecánicas del conjunto y no afecta fundamentalmente al funcionamiento del elemento.
En general, el funcionamiento de la batería se basa en dos transformaciones de energía:
- eléctrico a químico durante la carga;
- químico en eléctrico durante la descarga.
Ambos tipos de conversión se basan en la ocurrencia de reacciones químicas reversibles, cuyo curso está determinado por las sustancias utilizadas en la batería. Entonces, en una celda de plomo-ácido, la parte activa del ánodo está hecha de dióxido de plomo y el cátodo está hecho de plomo metálico. Los electrodos están en un electrolito de ácido sulfúrico. Cuando se descarga en el ánodo, el dióxido de plomo se reduce para formar sulfato de plomo y agua, y el plomo en el cátodo se oxida a sulfato de plomo. Las reacciones inversas ocurren durante la carga. En baterías de otros diseños, los componentes reaccionan de manera diferente, pero el principio es similar.
Tipos y tipos de baterías.
Las propiedades de consumo de las baterías están determinadas principalmente por su tecnología de producción. En la vida cotidiana y en la industria, varios tipos de celdas de batería son los más comunes.
Plomo-ácido
Este tipo de batería se inventó a mediados del siglo XIX y todavía tiene su propio nicho de aplicación. Sus ventajas incluyen:
- tecnología de producción simple, económica y con décadas de antigüedad;
- salida de alta corriente;
- larga vida útil (de 300 a 1000 ciclos de carga y descarga);
- la corriente de autodescarga más baja;
- sin efecto memoria.
También hay desventajas.En primer lugar, se trata de una baja intensidad energética específica, lo que conduce a un aumento de las dimensiones y el peso. También hay un bajo rendimiento a bajas temperaturas, especialmente por debajo de -20 °C. También hay problemas con la eliminación: los compuestos de plomo son bastante tóxicos. Pero esta tarea debe ser abordado para otros tipos de baterías.
Si bien las baterías de plomo-ácido se han optimizado al máximo, incluso aquí hay margen de mejora. Por ejemplo, existe la tecnología AGM, según la cual se coloca entre los electrodos un material poroso impregnado con un electrolito. Esto no afecta los procesos electroquímicos de carga y descarga. Básicamente, esto mejora las características mecánicas de las baterías (resistencia a la vibración, capacidad de trabajar en casi cualquier posición, etc.) y aumenta un poco la seguridad de funcionamiento.
También una ventaja notable es el funcionamiento mejorado sin pérdida de capacitancia y salida de corriente a temperaturas de hasta -30 °C. Los fabricantes de baterías AGM afirman un aumento en la corriente de arranque y el recurso.
Las baterías de gel son otra modificación de las baterías de plomo-ácido. El electrolito se espesa a un estado de gelatina. Esto logra la exclusión de fugas de electrolito durante el funcionamiento y elimina la posibilidad de formación de gases. Pero la salida de corriente es algo reducida, y esto limita la posibilidad de utilizar baterías de gel como baterías de arranque. Las propiedades milagrosas declaradas de tales baterías en términos de mayor capacidad y mayor recurso están en la conciencia de los vendedores.
Las baterías de plomo-ácido generalmente se cargan en modo de estabilización de voltaje. Al mismo tiempo, el voltaje de la batería aumenta y la corriente de carga disminuye. El criterio para el final del proceso de carga es la caída de corriente hasta el límite establecido.
Niquel Cadmio
Su siglo está llegando a su fin, y el alcance se está reduciendo gradualmente. Su principal inconveniente es un efecto de memoria pronunciado. Si comienza a recargar una batería de Ni-Cd descargada de forma incompleta, entonces el elemento "recuerda" este nivel y la capacidad se determina aún más a partir de este valor. Otro problema es el bajo respeto al medio ambiente. Los compuestos tóxicos de cadmio crean problemas con la eliminación de tales baterías. Otras desventajas incluyen:
- alta tendencia a la autodescarga;
- consumo de energía relativamente bajo.
Pero también hay ventajas:
- bajo costo;
- larga vida útil (hasta 1000 ciclos de carga y descarga);
- capacidad de entregar alta corriente.
Además, las ventajas de tales baterías incluyen la capacidad de trabajar a bajas temperaturas negativas.
La carga de las celdas de Ni-Cd se realiza en modo de corriente continua. Puede usar completamente la capacidad recargando con una disminución suave o gradual en la corriente de carga. El final del proceso se controla disminuyendo el voltaje de la celda.
Hidruro metálico de níquel
Diseñado para reemplazar las baterías de níquel-cadmio. Muchas características y propiedades de consumo son superiores a las del Ni-Cd. Fue posible deshacerse parcialmente del efecto memoria, aumentar la intensidad energética en aproximadamente una vez y media y reducir la tendencia a la autodescarga. Al mismo tiempo, se conservó una alta eficiencia de corriente y el costo se mantuvo aproximadamente al mismo nivel. El problema ambiental se mitiga: las baterías se producen sin el uso de compuestos tóxicos. Pero tuvimos que pagar por esto con un recurso significativamente reducido (hasta 5 veces) y la capacidad de trabajar a temperaturas negativas, solo hasta -20 ° C frente a -40 ° C para los de níquel-cadmio.
Tales celdas se cargan en modo de corriente continua. El final del proceso se controla aumentando el voltaje en cada elemento hasta 1,37 voltios. El más favorable es el modo de corriente pulsada con sobretensiones negativas. Esto elimina los efectos del efecto memoria.
Li-ion
Las baterías de iones de litio se están apoderando del mundo. Desplazan otro tipo de baterías de aquellas zonas donde la situación parecía inquebrantable. Las celdas de iones de litio prácticamente no tienen efecto de memoria (está presente, pero a un nivel teórico), soportan hasta 600 ciclos de carga y descarga, la intensidad de la energía es 2-3 veces mayor que la relación de capacidad y peso del hidruro de níquel-metal pilas
La tendencia a la autodescarga durante el almacenamiento también es mínima, pero literalmente tiene que pagar por todo esto: estas baterías son mucho más caras que las tradicionales. Se pueden esperar reducciones de precios con el desarrollo de la producción, como suele ser el caso, pero es poco probable que se superen otras desventajas inherentes de tales baterías (eficiencia de corriente reducida, incapacidad para trabajar a temperaturas negativas) en el marco de las tecnologías existentes.
Junto con un mayor riesgo de incendio, esto dificulta un poco el uso baterías de iones de litio. También debe tenerse en cuenta que dichos elementos están sujetos a degradación. Incluso si no se cargan y descargan, su propio recurso se reduce a cero en 1,5 ... 2 años de almacenamiento.
El modo de carga más favorable es en dos etapas. Primero, una corriente estable (con un voltaje que aumenta suavemente), luego un voltaje estable (con una corriente que disminuye suavemente). En la práctica, la segunda etapa se implementa en forma de una corriente de carga reducida gradualmente. Incluso más a menudo, esta etapa consta de una etapa: la corriente estabilizada simplemente disminuye.
Características principales de las baterías.
El primer parámetro al que se presta atención al elegir una batería es su Tensión nominal. El voltaje de una celda de batería está determinado por los procesos fisicoquímicos que ocurren dentro de la celda y depende del tipo de batería. Un banco completamente cargado da:
- elemento de plomo-ácido - 2,1 voltios;
- níquel-cadmio - 1,25 voltios;
- hidruro metálico de níquel - 1,37 voltios;
- iones de litio - 3,7 voltios.
Para obtener un voltaje más alto, las celdas se ensamblan en baterías. Entonces, para una batería de automóvil, debe conectar 6 latas de plomo-ácido en serie para obtener 12 voltios (más precisamente, 12,6 V), y para un destornillador de 18 voltios: 5 latas de iones de litio de 3,7 voltios cada una.
El segundo parámetro importante es capacidad. Determina la duración de la batería bajo carga. Se mide en amperios-hora (el producto de la corriente y el tiempo). Entonces, una batería con una capacidad de 3 A⋅h cuando se descarga con una corriente de 1 amperio se descargará en 3 horas y con una corriente de 3 amperios, en 1 hora.
¡Importante! Estrictamente hablando, Capacidad de la batería depende de la corriente descarga, por lo que el producto de la corriente y el tiempo de descarga a diferentes valores de carga para una batería no será el mismo.
Y el tercer parámetro importante - suministro de corriente. Esta es la corriente máxima que la batería puede entregar. Es importante, por ejemplo, para batería automotriz - determina la posibilidad de girar el eje del motor en la estación fría. Además, la capacidad de entregar alta corriente, creando un alto par, es importante, por ejemplo, para herramientas eléctricas. Y para los dispositivos móviles, esta característica no es tan importante.
Las propiedades eléctricas y las cualidades de consumo de las baterías dependen de su diseño y tecnología de producción. El uso correcto de las baterías significa aprovechar las ventajas de las fuentes de energía químicas renovables y nivelar las desventajas.
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