Batería eléctrica
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 13 de abril de 2022; las comprobaciones requieren 2 ediciones .Una batería eléctrica es una fuente de corriente química secundaria reutilizable que se puede recargar después de una descarga [1] . Para cargar la batería, se hace pasar una corriente eléctrica en la dirección opuesta a la dirección de la corriente durante la descarga [2] .
Se utiliza para el almacenamiento de energía cíclica (carga-descarga) y el suministro de energía autónomo de varios dispositivos y equipos eléctricos, así como para proporcionar fuentes de energía de respaldo en medicina, fabricación, transporte y otras áreas.
Las más difundidas son las pilas de plomo y alcalinas (hierro-níquel y cadmio-níquel), también se utilizan zinc-plata, zinc-aire y manganeso [3] .
Significado y uso de la palabra
El término "batería" se utiliza para referirse a un solo elemento: por ejemplo, una batería, un banco de baterías, una celda de batería. Pero en el habla coloquial a nivel doméstico, también se puede aplicar a varios elementos individuales conectados en serie (para aumentar el voltaje) o en paralelo (para aumentar la intensidad y capacidad de la corriente) entre sí, es decir, para referirse a una batería . Para la conexión en paralelo, se recomienda utilizar baterías de la misma capacidad y del mismo modelo. Sin embargo, es posible usar diferentes modelos e incluso diferentes capacidades, pero en este caso las corrientes de carga se distribuirán de manera desigual, lo que puede conducir a una reducción de la vida útil de la batería. Conectando las baterías en serie se obtiene una batería de la misma capacidad que la capacidad de una de las baterías incluidas en la batería, siempre que las capacidades sean iguales. En este caso, el voltaje de la batería será igual a la suma de los voltajes de cada una de las baterías que componen la batería.
Historia
El primer prototipo de batería, que, a diferencia de la de Alessandro Volta , podía recargarse muchas veces, fue creado en 1803 por Johann Wilhelm Ritter . Su batería era una columna de cincuenta círculos de cobre, entre los cuales se colocaba un paño húmedo. Después de pasar corriente a través de este dispositivo desde una columna voltaica , comenzó a comportarse como una fuente de electricidad [4] .
Cómo funciona
El principio de funcionamiento de la batería se basa en la reversibilidad de una reacción química. El elemento primario utiliza una reacción química espontánea. La celda secundaria durante el proceso de carga funciona como una celda electrolítica ( electrolizador ). En una celda electrolítica, la energía eléctrica provoca la reacción química deseada. [5]
El rendimiento de la batería se puede restaurar cargándola, es decir, haciendo pasar una corriente eléctrica en la dirección opuesta a la dirección de la corriente durante la descarga. Se pueden conectar galvánicamente dos o más baterías para formar una batería para aumentar el voltaje, la corriente, la potencia o la confiabilidad [ 6] .
Batería de plomo-ácidoEl principio de funcionamiento de las baterías de plomo-ácido se basa en las reacciones electroquímicas del plomo y el dióxido de plomo en una solución de ácido sulfúrico.
Reacción química (de izquierda a derecha - descarga, de derecha a izquierda - carga):
- Ánodo :
- cátodo :
Una batería alcalina es una batería que recibe su nombre del electrolito que utiliza.
En la mayoría de los casos, se trata de una solución acuosa de KOH (potasio cáustico) o NaOH (sodio cáustico).Este tipo de batería tiene varias ventajas sobre otros tipos, pero también tiene desventajas.
Los tipos más comunes de pilas alcalinas son de níquel-cadmio e hidruro de níquel-metal (también llamado níquel-hierro)
Batería de iones de litioUna batería de iones de litio consta de electrodos (material de cátodo sobre papel de aluminio y material de ánodo sobre papel de cobre) separados por separadores porosos impregnados de electrolito. El portador de carga en una batería de iones de litio es un ión de litio con carga positiva, que se introduce ( intercalado ) en la red cristalina de otros materiales (por ejemplo, en grafito, óxidos y sales metálicas) con la formación de un enlace químico (por ejemplo, ejemplo: en grafito con formación de LiC 6 , óxidos (LiMO 2 ) y sales metálicas (LiMRON).
Batería de iones de aluminioLa batería de iones de aluminio consta de un ánodo de aluminio metálico, un cátodo de espuma de grafito y un electrolito iónico líquido no inflamable. La batería funciona según el principio de deposición electroquímica: el aluminio se disuelve en el ánodo, luego, en el medio de electrolito líquido, los aniones de cloraluminato se intercalan en grafito. El número de recargas posibles de la batería es de más de 7,5 mil ciclos sin pérdida de potencia [7] [8] .
Comparación de baterías1 La resistencia interna de las baterías varía según los miliamperios hora (mAh), el cableado y la cantidad de celdas. El circuito de protección de la batería de iones de litio añade unos 100 mΩ.
2 Tamaño de celda 18650. El tamaño y el diseño de la celda determinan la resistencia interna.
3 Ciclo de vida de las baterías que se someten a un mantenimiento regular.
4 El ciclo de vida depende de la magnitud del vertido. Una descarga más pequeña aumenta la vida útil.
5 La tasa de autodescarga más alta es inmediatamente después de la carga. La batería de NiCd pierde el 10 % de su carga durante las primeras 24 horas, luego la tasa de pérdida de carga disminuye al 10 % cada 30 días. Las altas temperaturas aumentan la autodescarga.
6 El circuito de seguridad normalmente consume el 3% de la energía almacenada por mes.
7 El voltaje tradicional de 1,25, 1,2 V se usa más comúnmente.
8 La baja resistencia interna reduce la caída de voltaje bajo carga y las baterías de iones de litio a menudo se etiquetan con más de 3,6 V/celda. Los elementos marcados como 3,7 V y 3,8 V son totalmente compatibles con 3,6 V.
9 Capaz de soportar un gran pulso de corriente de carga, pero necesita tiempo para recuperarse.
10 No cargue regularmente las baterías de iones de litio a temperaturas bajo cero.
11 Mantenimiento como equilibrado o recarga para evitar la sulfatación.
12 Para la mayoría de los tipos de sistemas de iones de litio, el corte se produce si el voltaje es inferior a 2,20 V y superior a 4,30 V; se aplican otros voltajes para las baterías de ferrofosfato de litio. [9]
Características
Capacidad de la batería
La capacidad de la batería suele tomarse como la cantidad de electricidad igual a 1 C, con una intensidad de corriente de 1 A durante 1 s (al convertir el tiempo en horas, obtenemos 1 A * h = 3600 C). Sin embargo, se aceptan, no se miden. Existe una idea errónea común de que la capacidad de la batería se mide en A * h, esto no es del todo cierto, ya que en 1 A * s \u003d 1 C o 1 A * h \u003d 3600 C, la cantidad de electricidad o carga eléctrica es Medido; de acuerdo con la fórmula Q \u003d I * t, donde Q es la cantidad de electricidad o carga eléctrica, I es la intensidad de la corriente, t es el tiempo para el flujo de corriente eléctrica. Por ejemplo, la designación “12 V a 55 Ah” significa que la batería produce una cantidad de electricidad de 198 kC (kilo coulomb) en cualquier circuito, a una corriente de descarga de 55 A en 1 hora (3600 s) hasta un umbral tensión de 10,8 V. El cálculo muestra que con una corriente de descarga de 255 A, la batería se descargará en 12,9 minutos. Como puede ver, 55 A * h no es una capacitancia (la capacitancia eléctrica se mide en Farads, 1 F \u003d 1 C / V). Por lo tanto, en la batería está escrita la cantidad de electricidad Q, que produce a una cierta corriente de descarga y un cierto tiempo para su paso.
Densidad de energía
Densidad de energía - la cantidad de energía por unidad de volumen o unidad de masa de la batería (ver Art. Densidad de energía ).
Autodescarga
La autodescarga es la pérdida de carga de una batería después de estar completamente cargada sin carga. La autodescarga se manifiesta de manera diferente para los diferentes tipos de baterías, pero siempre es máxima en las primeras horas después de la carga y luego se ralentiza.
Para las baterías de Ni-Cd, no se considera aceptable más del 10 % de autodescarga en las primeras 24 horas después de la carga. Para Ni-MH, la autodescarga es ligeramente menor. En Li-ion, es extremadamente pequeño y se manifiesta significativamente solo unos meses después de la carga.
En las baterías selladas de plomo-ácido, la autodescarga es de alrededor del 40 % durante 1 año de almacenamiento a 20 °C, del 15 % a 5 °C. Si las temperaturas de almacenamiento son más altas, entonces aumenta la autodescarga: las baterías a 40 °C pierden el 40 % de su capacidad en solo 4-5 meses.
Régimen de temperatura
Mantenga las baterías alejadas del fuego y el agua, del calor y el frío excesivos, de los cambios bruscos de temperatura.
Las baterías no deben utilizarse a temperaturas superiores a +50 °C e inferiores a -25 °C. Cuando utilice la batería en un “invierno frío”, se recomienda retirarla y guardarla en una habitación cálida. La violación del régimen de temperatura puede conducir a una reducción en la vida útil o pérdida de rendimiento.
Tipo de batería
El tipo de batería está determinado por los materiales utilizados. Se distinguen los siguientes:
- Cn-Po es una batería de polímero de grafeno.
- La-Ft - batería de fluoruro de lantano
- Li-Ion: batería de iones de litio (3,2-4,2 V), designación general para todas las baterías de litio
- Li-Co - batería de litio-cobalto , (3,6 V), basada en LiCoO 2 , tecnología en proceso de desarrollo
- Li-Po - batería de polímero de litio (3,7 V), polímero como electrolito
- Li-Ft - batería de litio-flúor
- Li-Mn - batería de litio-manganeso (3,6 V) basada en LiMn 2 O 4
- LiFeP o LFP: batería de fosfato de hierro y litio (3,3 V) basada en LiFePO 4
- LiFeYPO 4 - fosfato de litio, hierro e itrio (itrio añadido para mejorar las propiedades)
- Li-Ti - batería de titanato de litio (2,3 V) basada en Li 4 Ti 5 O 12
- Li-Cl - batería de litio-cloro (3,99 V)
- Li-S - batería de litio-azufre (2,2 V)
- LMPo - batería de polímero de metal de litio
- Fe-aire - batería de hierro-aire
- Na/NiCl - batería de sal de níquel (2,58 V)
- Na-S - batería de sodio-azufre , (2 V), batería de alta temperatura
- Ni-Cd - batería de níquel-cadmio (1,2 V)
- Ni-Fe - batería de hierro-níquel (1,2-1,9 V)
- Ni-H 2 - batería de níquel-hidrógeno (1,5 V)
- Ni-MH - Batería de hidruro metálico de níquel (1,2 V)
- Ni-Zn - batería de níquel-zinc (1,65 V)
- Pb - batería de plomo-ácido (2 V)
- Pb-H - batería de plomo-hidrógeno
- Ag-Zn - batería de plata-zinc (1,85 V)
- Ag-Cd - batería de plata-cadmio (1,6 V)
- Zn-Br - batería de zinc-bromo (1,8 V)
- Zn-aire - batería de zinc-aire
- Zn-Cl - batería de cloruro de zinc
- RAM ( manganeso alcalino recargable ): una variedad recargable de celda galvánica alcalina de manganeso y zinc (1,5 V)
- Batería de vanadio (1,41 V)
- Batería de grafito de aluminio (2V)
- Batería de iones de aluminio (2V) [10]
Las características eléctricas y de rendimiento de la batería dependen del material de los electrodos y de la composición del electrolito. Las baterías más utilizadas son:
| Tipo de | CEM (V) | Área de aplicación |
|---|---|---|
| plomo-ácido
Pb |
2.1 | trolebuses , tranvías , aviones , automóviles , motocicletas , carretillas elevadoras eléctricas , apiladores , tractores eléctricos , suministro de energía de emergencia, sistemas de alimentación ininterrumpida |
| niquel Cadmio
Ni-Cd |
1.2 | reemplazo de una celda galvánica estándar , herramientas eléctricas de construcción , trolebuses , aviones |
| hidruro metálico de níquel
Ni-MH |
1.2 | reemplazo de una celda galvánica estándar , vehículos eléctricos |
| iones de litio
iones de litio |
3.7 | dispositivos móviles, herramientas eléctricas de construcción, vehículos eléctricos |
| polímero de litio
li‑pol |
3.7 | dispositivos móviles, vehículos eléctricos |
| níquel-zinc
Ni-Zn |
1.6 | reemplazo de una celda galvánica estándar |
Factores de forma
Batería externaUna batería externa (batería recargable) ( inglés power bank ) es un dispositivo para la recarga múltiple de un dispositivo móvil ( teléfono , teléfono inteligente, tableta) en ausencia de una fuente de corriente alterna (red eléctrica).
El motivo de la aparición de estos dispositivos fue que con el uso activo de los teléfonos inteligentes y tabletas modernos, la carga de sus baterías es suficiente por un tiempo relativamente corto: medio día o un día. Para su carga en campo se desarrollaron baterías portátiles [11] [12] . La masa típica de tales dispositivos es de 200-800 gramos, la capacidad es de varios miles de mAh a 10-20 Ah [13] . Con su ayuda, puede cargar su teléfono de 2 a 5 veces. La mayoría de las veces proporcionan un puerto USB para la conexión. Algunos de ellos tienen conectores o adaptadores para conectores de teléfonos móviles populares. Las baterías externas de gran capacidad pueden tener adaptadores para cargar portátiles. A veces, las baterías externas tienen un indicador de carga o una linterna LED incorporada .
Aplicación
En la mayoría de los casos, la posibilidad de uso sistemático de baterías es solo en dispositivos portátiles de comunicación por radio .[ ¿Qué? ] y otra tecnología digital, donde se utilizan baterías de iones de litio y el sistema de control de carga y descarga está integrado en el dispositivo.
En el segmento económico, las baterías de hidruro de níquel-metal y níquel-cadmio "simples" se utilizan como reemplazo económico de las baterías alcalinas ( baterías ). Las baterías de níquel-cadmio se utilizan
como fuente de corriente para herramientas eléctricas inalámbricas económicas.
También en vehículos eléctricos . [catorce]
Carga de baterías
A medida que se agota la energía química, el voltaje y la corriente caen, y la batería deja de funcionar. Puede cargar la batería (batería de baterías) desde cualquier fuente de CC con un voltaje más alto mientras limita la corriente. La más común es la corriente de carga (en amperios ), proporcional a 1/10 de la capacidad nominal condicional de la batería (en amperios hora ).
Muchos tipos de baterías tienen diferentes limitaciones que deben tenerse en cuenta durante la carga y el uso posterior, por ejemplo, las baterías de NiMH son sensibles a la sobrecarga y las bajas temperaturas, las baterías de iones de litio son sensibles a la sobredescarga, el alto voltaje, las bajas o altas temperaturas. Las baterías de NiCd y NiMH tienen el llamado efecto memoria , que consiste en una disminución de la capacidad cuando la carga se realiza con una batería incompletamente descargada. Además, este tipo de baterías tienen una autodescarga notable, es decir, pierden carga gradualmente sin estar conectadas a la carga. La carga lenta se puede utilizar para combatir este efecto .
Métodos de carga de la batería
Se utilizan varios métodos para cargar las baterías; por regla general, el método de carga depende del tipo de batería [15] .
Carga CC lentaCargue con corriente continua , proporcional al 0,1-0,2 de la capacidad nominal condicional Q durante unas 15-7 horas, respectivamente.
El método de carga más largo y seguro. Adecuado para la mayoría de los tipos de baterías.
carga rápidaCargue con corriente continua proporcional a 1/3 Q durante unas 3-5 horas.
Los primeros teléfonos inteligentes compatibles con esta tecnología se lanzaron en 2013. Luego, los fabricantes aumentaron el voltaje de la fuente de alimentación para lograr resultados notables: la velocidad aumentó en un 30-40% en comparación con la carga estándar (lenta).
Carga acelerada o "delta-V"Una carga con una corriente de carga inicial proporcional a la capacidad nominal nominal de la batería, en la que se mide constantemente el voltaje de la batería y la carga finaliza una vez que la batería está completamente cargada. El tiempo de carga es de aproximadamente una hora y media. La batería puede sobrecalentarse e incluso destruirla.
La tecnología de OPPO , SuperVOOC, le permite cargar su teléfono inteligente en casi un 30% en solo cinco minutos. [dieciséis]
Carga inversaSe realiza alternando pulsos de carga largos con pulsos de descarga cortos. El método inverso es más útil para cargar baterías NiCd y NiMH, que se caracterizan por los llamados. "efecto memoria".
Véase también
- Cargador
- Estado de la batería
- acumulador de gas
- ionistor
- Célula galvánica
- Batería de coche
- Electroquímica
- Batería
- horquilla de carga
Notas
- ↑ Batería eléctrica // Electrónica de potencia: breve diccionario enciclopédico de términos y definiciones - M.: MPEI Publishing House, 2008
- ↑ BATERÍA ELÉCTRICA • Gran Enciclopedia Rusa - versión electrónica . bigenc.ru . Recuperado: 7 de octubre de 2021.
- ↑ Acumulador // Davis S., James A. Diccionario electroquímico - M.: Mir, 1979
- ↑ Lebedev Yu.A. El segundo aliento del corredor de maratón (sobre el plomo). - M. : Metalurgia, 1990. - 144 p. — ISBN 5-229-00435-5 .
- ↑ Celda galvánica // Davis S., James A. Diccionario electroquímico - M.: Mir, 1979
- ↑ Batería recargable // Electrónica de potencia: breve diccionario enciclopédico de términos y definiciones - M.: MPEI Publishing House, 2008
- ↑ Los científicos han desarrollado una "batería del futuro"
- ↑ Se ha creado una batería revolucionaria para dispositivos.
- ↑ Anastasia Litvínova. Comparativa de diferentes tipos de baterías (enlace inaccesible) . La hora de la naturaleza (26 de junio de 2014). Consultado el 22 de enero de 2022. Archivado desde el original el 7 de diciembre de 2021.
- ↑ Los científicos han creado baterías flexibles que se cargan en un minuto // vesti.ru, 07/04/2015
- ↑ Guía para elegir una batería portátil - ComputerPress 11'2012
- ↑ Baterías USB externas (enlace inaccesible) . Fecha de acceso: 12 de octubre de 2014. Archivado desde el original el 19 de octubre de 2014.
- ↑ Diez paquetes de baterías externas. Vale la pena el cargo? // El Registro, 2012
- ↑ El transporte eléctrico sintió escasez de materias primas. Los principales fabricantes de automóviles consideran prematuro el rechazo del motor de combustión interna // NG , 07/02/2022
- ↑ Zaitsev I.P. Habilidad en carga - entrenamiento. Controladores de carga de batería para dispositivos autónomos // Componentes y tecnologías: Revista. - 2006. - Nº 9 .
- ↑ Smartphones con carga ultrarrápida. ¿Cómo funciona? // alta tecnología.mail.ru
Literatura
- Voinarovsky P.D. Baterías eléctricas // Diccionario enciclopédico de Brockhaus y Efron : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
- Acumuladores // Diccionario Enciclopédico de Brockhaus y Efron : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
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