04 septiembre 2012

El proceso de carga y descarga de las baterías visto en detalle (5ª PARTE)




Ver 4ª PARTE

Batería NiMH

Hoy en día se han desarrollado numerosas baterías para dispositivos electrónicos portátiles. El consumidor demanda baterías recargables mayores que son capaces de repartir servicios más prolongados entre cargas. Las baterías recargables de níquel – metal hidruro (NiMH) satisfacen la demanda del consumidor y proporcionan un rendimiento mejorado comparado con las baterías recargables convencionales. La batería NiMH tiene una capacidad de energía mayor y por ello es capaz de proporcionar una vida en servicio mayor.

Construcción

Este tipo de batería usa oxihidróxido de níquel (NiOOH) como material activo en el electrodo positivo. Mientras que el material activo negativo es el hidrógeno en estado cargado, en la forma de hidruros metálicos. Este hidruro metálico es una aleación que puede ser sometida a una absorción de hidrógeno reversible y reacción desabsorción cuando la batería es cargada y descargada.
Típicamente hay dos tipos de clases de aleaciones que se usan como material de electrodo en la batería NiMH.
1.       Aleación AB5 de la cual LaNi5 es el ejemplo.
2.       Aleación AB2 de la cual TiMn2 o ZrMn2 son ejemplos.
Prácticamente las aleaciones AB5 son las preferidas cuando ofrecen características de mejor resistencia a la corrosión que proporcionan un ciclo de vida más prolongado y mejor recargabilidad. Estas aleaciones tienen gran capacidad de almacenamiento de hidrógeno. La aleación de baja presión de hidrógeno y los materiales altamente puros pueden minimizar la autodescarga.
Ambos electrodos usan estructuras altamente porosas y grandes áreas de superficie. Esto proporciona baja resistencia interna en la celda. El electrodo positivo es un sustrato altamente poroso. El electrodo positivo es un sustrato de ferro-níquel altamente poroso.
El electrolito usado es una solución acuosa de hidróxido potásico (KOH). En baterías de NiMh, la mínima cantidad de electrolito se usa con la mayoría de los líquidos absorbidos por el separador y los electrodos. El diseño ayuda a la difusión de oxígeno al electrodo negativo al fin de la carga por la reacción de recombinación del oxígeno.
La batería de NiMH es diseñada con una reserva de carga y descarga en el electrodo negativo.
En caso de sobredescarga, el gaseado y la degradación de la célula se minimiza por la reserva de descarga.
En caso de sobrecarga, la reserva de carga nos da seguridad de que la batería mantiene una baja presión interna.
El tamaño estándar de las baterías de NiMH se construye con un tipo cilíndrico y prismático de celdas de hidruro de metal níquel.

Reacciones de la celda

Las reacciones de la celda se dividen en:
1.       Reacciones de la celda durante la carga.
2.       Reacciones de la celda durante la descarga.
Durante la carga: El electrodo positivo reacciona a la carga completa antes que el electrodo negativo y causa el desarrollo del oxígeno.

Así la reacción total en la descarga es:

Características

Las características de las baterías NiMH son:
  1. Una capacidad superior en alrededor del 40 % de la vida de las baterías de NiCd del mismo tamaño.
  2. La carga es muy rápida, aproximadamente una hora.
  3. La vida útil en ciclos es muy larga, alrededor de 500 ciclos de carga/descarga.
  4. La resistencia interna es muy baja debido al tipo de diseño de “electrolito famélico”.
  5. No hay efectos contaminantes en el medio ambiente ya que no contiene cadmio.
  6. Es capaz de trabajar bien en temperaturas extremas, en descargas desde – 20 ºC a 50 ºC y en carga desde 0 ºC a 45 ºC.
  7. Debido a las densidades de energía más altas, el volumen de la batería y el peso es mínimo.
  8. Tiene un rango de voltaje amplio.
  9. Se fabrican con polímeros retardantes de la llama y resistentes al impacto.
  10. Varios métodos de carga como la carga rápida o carga trickle pueden ser usados para la carga.

Características generales

Las características generales de las baterías NiMH son similares a las de la batería NiCd. Durante la carga, el voltaje en circuito abierto va de 1,25 a 1,35 voltios/celda. Durante la descarga, el voltaje nominal es 1,2 voltios/celda y el voltaje final típico es 1 voltio/celda.

Características de autodescarga

Durante el almacenamiento, las baterías de NiMH se descargan. Esto es debido a la reacción del hidrógeno residual en la batería con el electrodo positivo. Esto causa una descomposición lenta y reversible del electrodo positivo. Esto se llama autodescarga de la celda. La tasa de tal autodescarga depende del tiempo en el que se almacena la celda y la temperatura a la que la celda se almacena. En altas temperaturas, la tasa de auto descarga es también alta.
El almacenamiento a largo plazo de la batería NiMH en estado de carga o descarga no tiene efectos permanentes en la capacidad de la batería.
Incluso la pérdida de capacidad debida al almacenaje hasta un año puede ser recuperada. Pero el almacenamiento a largo plazo a altas temperaturas puede dañar sellos y separadores. El rango de temperaturas más apropiado para el almacenamiento de las baterías NiMH es de 10 a 30 ºC.

Características de recarga

Las características de recarga de las baterías de NiMH y NiCd son casi las mismas. Para una batería de NiMH es necesario un control de carga apropiado ya que es más sensible a la sobrecarga.
El método más común usado para cargar la batería de NiMH es el método de carga de corriente constante con corriente controlada para evitar una excesiva elevación de la temperatura.
En la siguiente figura se muestran las características de carga-voltaje de las baterías de NiCd y NiMH. Las curvas son casi planas cuando se cargan a tasas de corriente constante. Inicialmente hay un brusco incremento en el voltaje y similarmente a alrededor del 80 % de la carga, hay un brusco incremento en los voltajes. Pero durante la sobrecarga las baterías de sobrecarga las baterías de NiCd muestran una caída de voltaje prominente comparada con las baterías de NiMH.

Aplicaciones

Las variadas aplicaciones de las baterías de NiMH son los teléfonos celulares, los ordenadores portátiles y muchos productos de electrónica de consumo. Las baterías se usan en cámaras digitales, dispositivos electrónicos sin cable, juguetes electrónicos y para proporcionar energía de emergencia a varios instrumentos electrónicos. Como las baterías de NiMH son caras, las áreas de aplicación principales son los teléfonos celulares y los ordenadores portátiles.

Comparación

Parámetro
Níquel – Cadmio (NiCd)
Hidruro metálico de níquel (NIMH)
1
Electrodo positivo
Hidróxido de níquel N(OH)3
Oxihidróxido de níquel NIOOH
2
Electrodo negativo
Cadmio (Cd)
Aleación de hidruro metálico (MH)
3
Electrolito
Hidróxido potásico (KOH)
Hidróxido Potásico (KOH)
4
Resistencia interna
Baja
Muy baja
5
Vida útil
Muy larga
Muy muy larga
6
Peso
Pesado
Ligero
7
Resistencia mecánica
Buena
Muy buena
8
Densidad de energía gravimétrica
50 Wh/kg
55 Wh /kg
9
Densidad de energía volumétrica
140 Wh/L
180 Wh / L
10
Autodescarga a 20 º C
15 – 20 % por mes
20 – 30 % por mes
11
Coste
Mejor coste por valor de rendimiento
Muy alta
12
Protección
No se proporciona protección interna de cortocircuito
No se producen cortocircuitos internos

Nota: La densidad gravimétrica es una medida de cuanta energía contiene una batería en comparación a su peso y típicamente se expresa en vatios hora por kilogramo (Wh/kg). La densidad de energía volumétrica es una medida de cuanta energía contiene una batería en comparación a su volumen y típicamente se expresa en vatios hora por litro (Wh/L).

Bibliografía:

·         Basic Electrical Engineering. Bakshi & Bakshi
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