Baterías - tipos y usos

Publicado por: Hiper Shops En: Protección eléctrica El: jueves, 24 de noviembre de 2016 Comentarios: 0 Visitas: 9386

Llamamos batería eléctrica, acumulador o simplemente batería al dispositivo que, formado por una o varias celdas electroquímicas, puede convertir la energía química que almacena en electricidad. A diferencia de las pilas, la reacción química que permite su funcionamiento es reversible, lo que permite volver a cargar la batería por medios eléctricos.

Las baterías se caracterizan fundamentalmente por los siguientes aspectos:

  • El tipo o tecnología, según sea su naturaleza interna. Veremos los principales tipos de baterías en el siguiente apartado.
  • La tensión o voltaje nominal que suministran. Se mide en voltios (V).
  • La capacidad de carga, que determina la intensidad que la batería puede suministrar a lo largo del tiempo a su tensión nominal. Se mide en amperios / hora (Ah).
  • La energía, resultado de suministrar una intensidad a una determinada tensión a lo largo del tiempo. Es resultado de conocer la tensión y la capacidad. Se mide en vatios / hora (Wh)
  • Factor de autodescarga. Las baterías no mantienen la carga de forma indefinida, sino que la van perdiendo poco a poco. Nos indica el porcentaje de carga que la batería pierde en un tiempo determinado.
  • Efecto memoria, es un efecto no deseado que afecta a las baterías y que reduce su capacidad para almacenar energía. Se suele hablar de efecto memoria cuando una batería se carga cuando no se ha producido una descarga completa, pero hay otras causas que pueden reducir su capacidad, tales como los ciclos de carga / descarga que ha realizado, si ha trabajo a una temperatura elevada o si ha soportado grandes demandas de intensidad.
  • Otros aspectos a tener en cuenta son la intensidad máxima de carga o la intensidad máxima que una batería puede suministrar durante su descarga. Suelen venir determinados por el tipo de batería y deben observarse para no dañar la batería y acortar su vida útil.

Principales tipos de baterías

Dependiendo de la naturaleza interna de la batería y sus características electroquímicas, podemos distinguir varios tipos de baterías:

  • Baterías de plomo-ácido, que están formadas por electrodos de plomo bañados en un electrolito de ácido sulfúrico Las hay de muchos tipos que veremos a continuación. En general son económicas y fáciles de fabricar. No admiten sobrecargas ni descargas profundas y tienen un peso y volumen elevados para la energía que almacenan.
  • Baterías de niquel-cadmio (Ni-Cd), que están formadas por electrodos de cadmio bañados en un electrolito de hidróxido de potasio. Funcionan bien en un amplio rango de temperaturas y se pueden sobrecargar sin sufrir daños. Admiten descargas profundas y proporcionan un buen número de ciclos, pero acusan mucho el efecto memoria. Su peso y volumen, aunque mejores que los de las baterías de plomo-ácido, siguen siendo elevados para la energía que almacenan.
  • Baterías de niquel-hidruro metálico (Ni-MH), que están formadas por un ánodo de cadmio y un cátodo de aleación de hidruro metálico. Están sustituyendo a las baterías de niquel-cadmio por su menor efecto memoria y mayor capacidad. Sin embargo, el número de ciclos que proporcionan es menor y no trabajan bien con frío extremo, que reduce drásticamente su capacidad.
  • Baterías de iones de litio (Li-ion), que emplean un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto,  trifilina  u óxido de manganeso. En comparación con los tipos anteriores, son de desarrollo más reciente y han facilitado la existencia de tecnologías portátiles que de otro modo no hubieran sido posibles. Su capacidad es elevada en relación a su peso y volumen, teniendo además un factor de autodescarga muy reducido. Casi no se ven afectadas por el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de haber sido descargadas previamente. Como contrapartida no soportan bien los cambios de temperatura y no admiten descargas completas, sufriendo mucho cuando éstas ocurren.
  • Baterías de polímero de litio (Li-Po), son una variación de las baterías de iones de litio que mejoran sus características de peso y volumen, así como su tasa de descarga. Al igual que sus primas de iones de litio acusan mucho las descargas profundas, quedando prácticamente inutilizadas si se descargan en exceso.

Baterías de plomo-ácido

Quizá el tipo de batería con más variantes y aplicaciones, merece un escrutinio más cercano. Hay esencialmente dos grandes familias de baterías de plomo-ácido:

  • Baterías abiertas, comunmente conocidas por su nombre en inglés como "flooded" o "wet", están compuestas por celdas con dos placas de plomo que hacen de electrodos bañadas en un electrolito líquido a base de ácido sulfúrico diluido. Los gases de las reacciones de carga y descarga se encuentran por tanto libres. En condiciones de uso extremas, estas baterías pueden llegar a desprender dichos gases (oxígeno e hidrógeno) que son altamente explosivos. Además, el ácido sulfúrico que contienen, que es muy corrosivo y tóxico, puede llegar a salirse en caso de rotura. Son el tipo de batería de plomo más económico y sencillo de fabricar. Al ser su electrolito líquido, deben mantenerse en posición horizontal y habitualmente requieren un aporte regular de agua para seguir funcionando. Dado que pueden expulsar gases, no deben emplearse en lugares cerrados. Como ventaja, además de su bajo precio, permiten altas demandas de intensidad y suelen tener una vida útil larga si se mantienen correctamente. Se utilizan habitualmente como baterías de arranque.
  • Baterías selladas, comunmente conocidas por sus siglas en inglés VRLA (valve-regulated lead-acid) o por su propiedad de ser baterías sin mantenimiento. Se diferencias de las baterías abiertas en que el electrodo está inmobilizado, bien empleando una malla de fibra de vidrio, bien añadiendo sílice en polvo para que el electrolito sea más viscoso. En el primer caso tenemos las baterías AGM (absorbed glass mat) y en el segundo tenemos las baterías de gel. En ambos casos tenemos una batería que no expulsa gases y por tanto puede emplearse en espacios cerrados. Por otra parte, dado que su electrolito no es líquido pueden emplearse en cualquier posición y no necesariamente en posición horizontal. También son menos sensibles a golpes o vibraciones.

En general, cuando los inconvenientes de las baterías abiertas son asumibles, tiene sentido emplearlas por su bajo coste y alta duración. Sin embargo, en muchas ocasiones se emplean las baterías selladas por sus múltiples ventajas y mayor densidad de energía. Dependiendo del modo de trabajo en que se vayan a emplear las baterías, tenemos dos extremos:

  • Trabajo en flotante: se dice que una batería trabaja en flotante (en inglés float) cuando sus terminales se mantienen a una tensión que impide que se descargue (en inglés trickle charge). En este modo de trabajo, la batería se mantiene en espera para emplearla cuando sea necesario disponer de la energía que almacena. Este modo de trabajo es típico cuando la batería es una fuente de respaldo por ejemplo en un SAI, un sistema de alarma, un sistema de alimentación de emergencia, etc.
  • Trabajo en ciclos: que consiste en efectuar ciclos de carga y descarga de la batería de manera continua. Por ejemplo en aplicaciones solares, en las que las baterías se cargan durante el día y se descargan durante la noche.

En muchas ocasiones el modo de trabajo es una combinación de flotante y ciclos. En estos casos, habrá que considerar aquello que tenga un mayor predominio. Atendiendo a estas formas de trabajo tenemos también baterías desarrolladas para cada tarea:

  • Las baterías convencionales pensadas para aportar energía puntualmente (en inglés shallow cycle), tienen placas más finas que no permiten hacer ciclos profundos pero a cambio, combinados con electrolitos adecuados, reducen su resistencia interna y permiten fuertes demandas de intensidad durante breves períodos de tiempo.
  • Las baterías pensadas para soportar ciclos de descarga profundos (en inglés deep cycle), tienen placas más gruesas que permiten descargas más profundas, pero a cambio no soportan demandas de intensidad tan grandes durante breves períodos de tiempo.

Conviene destacar que dentro de las baterías selladas, las AGM suelen ser mejores para uso en flotante por su menor coste, siendo las de gel mejores para hacer ciclos. Sin embargo, existen baterías AGM relativamente económicas que son adecuadas para hacer ciclos, si bien su duración será menor que sus equivalentes en baterías de gel. Por tanto, la elección de un tipo de batería u otro dependerá fundamentalmente del tipo de uso que se le vaya a dar y del presupuesto que se maneje.

A tener en cuenta

A la hora de almacenar y utilizar baterías, conviene tener en cuenta algunas cosas:

  • El factor de autodescarga condiciona el tiempo que una batería puede almacenarse sin sufrir daños. Si bien las baterías de litio pueden aguantar años sin descargarse y dañarse, el resto de tecnologías acusan una autodescarga que las dañará en unos meses. ¿Cómo podemos evitar que se estropeen? Cargándolas cada 2-6 meses, según la tecnología. Las de plomo mejor cada pocos meses; las de Ni-Cd ó Ni-MH un par de veces al año.
  • Las baterías no aportan la misma cantidad de energía si se descargan poco a poco o si se descargan rápidamente. Cuanto más deprisa se descargan, menos energía proporcionan. Este efecto no es muy acusado en las baterías de litio pero sí lo es en las demás tecnologías, especialmente en las baterías de plomo. Cuando hablamos de la capacidad de una batería en amperios / hora (Ah), esta capacidad se refiere a un tiempo de descarga "estándar" de 20 horas. Por ejemplo, una batería típica de plomo AGM de 12V y 7Ah nos brindará esos 7Ah si la descargamos durante 20 horas (o más). Si el tiempo de descarga es de 10 horas, obtendremos en torno al 90% de esta capacidad. Si el tiempo de descarga es de 1 hora, será en torno al 60% y si el tiempo de descarga es de menos de 5 minutos, nos dará en torno a un 30%. Los valores exactos dependen del tipo de batería, aunque cada batería concreta tienen sus curvas de descarga características.

Mantenimiento de baterías AGM

Como hemos visto, las baterías AGM están pensadas para permanecer en flotación (espera) y descargarse ocasionalmente. Normalmente, los SAI mantienen las baterías en flotación, manteniendo un voltaje adecuado para que no se descarguen. Si el SAI o las baterías fueran a estar almacenados, éstas podrían descargarse demasiado y dañarse de forma irreversible. Para evitar estos daños, una batería AGM debe cargarse cada 6 meses como máximo. En caso de que la batería esté montada en un SAI, es tan fácil como encender el SAI cada 6 meses durante un día entero.

Por otra parte, una batería conectada y en estado de flotación también puede estropearse si no se descarga cada cierto tiempo. Para impedir que esto pase, es recomendable realizar, como mínimo, dos ciclos al año. De esta forma se activan las reacciones químicas internas y se garantiza que se usan y producen los elementos químicos necesarios. Si la batería está dentro de un SAI, el proceso es muy sencillo, basta con desconectar el SAI y mantenerlo funcionando en modo batería hasta que avise de batería baja. Esta prueba también nos ayuda a conocer el estado de las baterías y el tiempo de autonomía que entrega. En caso de que este tiempo se haya reducido considerablemente o sea menor de los requisitos necesarios, se deberá proceder con la sustitución de las baterías.

En caso de que una batería se deteriore o haya llegado al final de su vida útil, es necesario cambiar todas las baterías, no solo la dañada. Si la batería se encuentra dentro de un bloque en serie junto a otros bloques en paralelo, se puede prescindir del todo el bloque donde está la batería dañada, con la consecuente disminución del tiempo de respaldo. Este punto es importante ya que, con el tiempo, la resistencia interna de las baterías aumenta y no deben conectarse baterías con resistencias internas distintas. Si se hiciera, se descompensaría la carga del conjunto, ocasionando graves daños. Aplicando la ley de Ohm, comprobamos que la batería nueva tendría una carga menor durante la fase de carga a corriente constante y no cargaría bien; y obtendría un voltaje mayor durante la fase de carga a voltaje constante, pudiendo sobrecargarse y sobrecalentarse.

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