Diferents tipus de bateries i les seves aplicacions

Una bateria és una col·lecció d’una o més cèl·lules que passen per reaccions químiques per crear el flux d’electrons dins d’un circuit. Hi ha moltes investigacions i avanços en tecnologia de bateries i, com a resultat, actualment s’estan experimentant i utilitzant tecnologies avançades a tot el món. Les bateries van entrar en joc a causa de la necessitat d’emmagatzemar l’energia elèctrica generada. Per molt que s’estigués generant una bona quantitat d’energia, era important emmagatzemar-la per poder-la utilitzar quan la generació no funciona o quan cal alimentar dispositius independents que no es poden mantenir connectats al subministrament de la xarxa elèctrica. Aquí s’ha de tenir en compte que només es pot emmagatzemar CC a les bateries i que no es pot emmagatzemar corrent altern.

Les cel·les de la bateria solen estar formades per tres components principals;

1. L'ànode (elèctrode negatiu)
2. El càtode (elèctrode positiu)
3. Els electròlits

L’ànode és un elèctrode negatiu que produeix electrons al circuit extern al qual està connectada la bateria. Quan es connecten les bateries, s’inicia una acumulació d’electrons a l’ànode que provoca una diferència de potencial entre els dos elèctrodes. Els electrons, naturalment, intenten redistribuir-se, això és impedit per l’electròlit, de manera que, quan es connecta un circuit elèctric, proporciona un recorregut clar perquè els electrons es moguin des de l’ànode fins al càtode alimentant així el circuit al qual està connectat. Canviant la disposició i el material que s’utilitza per construir l’ànode, el càtode i l’electròlit, podem aconseguir molts tipus diferents de químiques de bateries que ens permetin dissenyar diferents tipus de cel·les de bateria. En aquest article es poden entendre els diferents tipus de bateries i el seu ús, doncs, comencem.

Tipus de bateries

Les bateries generalment es poden classificar en diferents categories i tipus, que van des de la composició química, la mida, el factor de forma i els casos d’ús, però sota tots aquests hi ha dos tipus principals de bateries;

1. Bateries primàries
2. Bateries secundàries

Fem una ullada més profunda per comprendre les principals diferències entre una cèl·lula Primacy i una cèl·lula secundària.

1. Bateries primàries

Les bateries primàries són bateries que no es poden recarregar un cop esgotades. Les bateries primàries estan formades per cèl·lules electroquímiques la reacció electroquímica de les quals no es pot revertir.

Les bateries primàries existeixen en diferents formes, des de piles de monedes fins a piles AA. S’utilitzen habitualment en aplicacions independents on la càrrega és poc pràctica o impossible. Un bon exemple d’això es troba en dispositius de qualitat militar i equips alimentats per bateries. No serà pràctic fer servir bateries recarregables, ja que recarregar una bateria serà l’últim que pensem en els soldats. Les bateries primàries sempre tenen una energia específica elevada i els sistemes en què s’utilitzen sempre estan dissenyats per consumir poca energia perquè la bateria duri el màxim de temps possible.

Alguns altres exemples de dispositius que utilitzen bateries primàries són: Creadors de ritme, rastrejadors d’animals, rellotges de polsera, comandaments a distància i joguines infantils per esmentar-ne alguns.

El tipus de bateries primàries més populars són les bateries alcalines. Tenen una alta energia específica i són respectuosos amb el medi ambient, són rendibles i no perden fins i tot quan estan completament descarregats. Es poden emmagatzemar durant diversos anys, tenen un bon historial de seguretat i es poden transportar en un avió sense estar subjectes a les normatives de transport de les Nacions Unides. L’únic inconvenient de les bateries alcalines és el baix corrent de càrrega, que limita el seu ús a dispositius amb pocs requisits de corrent, com ara controls remots, llanternes i dispositius portàtils d’entreteniment.

2. Bateries secundàries

Les bateries secundàries són bateries amb cel·les electroquímiques les reaccions químiques de les quals es poden invertir aplicant una determinada tensió a la bateria en el sentit invers. També anomenades bateries recarregables, les cèl·lules secundàries a diferència de les cèl·lules primàries es poden recarregar després d’esgotar l’energia de la bateria.

Normalment s’utilitzen en aplicacions d’alta drenatge i altres escenaris en què serà massa car o impracticable l’ús de bateries d’una sola càrrega. Les bateries secundàries de poca capacitat s’utilitzen per alimentar dispositius electrònics portàtils com els telèfons mòbils i altres aparells i aparells, mentre que les bateries de gran pes s’utilitzen per alimentar diversos vehicles elèctrics i altres aplicacions d’alta fuga com l’anivellament de la càrrega en la generació d’electricitat. També s’utilitzen com a fonts d’alimentació autònomes al costat d’ inversors per subministrar electricitat. Tot i que el cost inicial d’adquirir bateries recarregables sempre és molt superior al de les bateries primàries, però són les més rendibles a llarg termini.

Les bateries secundàries es poden classificar en altres tipus segons la seva química . Això és molt important perquè la química determina alguns dels atributs de la bateria, inclosa la seva energia específica, vida útil, vida útil i preu, per esmentar-ne alguns.

A continuació es detallen els diferents tipus de bateries recarregables que s’utilitzen habitualment.

1. Ió de liti (Li-ion)
2. Níquel-Cadmi (Ni-Cd)
3. Hidrurs de níquel-metall (Ni-MH)
4. Àcid de plom

1. Bateries de níquel-cadmi

La bateria níquel-cadmi (bateria NiCd o bateria NiCad) és un tipus de bateria recarregable que es desenvolupa utilitzant hidròxid d'òxid de níquel i cadmi metàl·lic com a elèctrodes. Les bateries de Ni-Cd excel·len en mantenir el voltatge i mantenir la càrrega quan no s’utilitzen. No obstant això, les bateries NI-Cd són fàcilment víctimes del temut efecte de "memòria" quan es recarrega una bateria parcialment carregada, cosa que redueix la capacitat futura de la bateria.

En comparació amb altres tipus de cèl·lules recarregables, les bateries de Ni-Cd ofereixen un bon cicle de vida i un bon rendiment a baixes temperatures amb una capacitat justa, però el seu avantatge més significatiu serà la seva capacitat per proporcionar la seva capacitat nominal completa amb altes taxes de descàrrega. Estan disponibles en diferents mides, incloses les mides que s’utilitzen per a piles alcalines, les cèl·lules AAA a D. Les cèl·lules Ni-Cd s’utilitzen individualment o es munten en paquets de dues o més cel·les. Els paquets petits s’utilitzen en dispositius portàtils, electrònics i joguines, mentre que els més grans troben aplicació en bateries d’arrencada d’avions, vehicles elèctrics i font d’alimentació en espera.

A continuació es detallen algunes de les propietats de les bateries de níquel-cadmi.

• Energia específica: 40-60W-h / kg
• Densitat energètica: 50-150 Wh / L
• Potència específica: 150W / kg
• Eficiència de càrrega / descàrrega: 70-90%
• Taxa d’autodescàrrega: 10% / mes
• Durada / vida del cicle: 2000 cicles

2. Bateries de hidrurs de níquel-metall

L’hidrid metàl·lic de níquel (Ni-MH) és un altre tipus de configuració química que s’utilitza per a les bateries recarregables. La reacció química a l'elèctrode positiu de les bateries és similar a la de la cèl·lula de níquel-cadmi (NiCd), amb els dos tipus de bateria que fan servir el mateix hidròxid d'òxid de níquel (NiOOH). No obstant això, els elèctrodes negatius de l’hidruri níquel-metall utilitzen un aliatge que absorbeix l’hidrogen en lloc del cadmi que s’utilitza a les bateries de NiCd

Les bateries de NiMH es poden aplicar en dispositius d’alta drenatge a causa de la seva alta capacitat i densitat d’energia. Una bateria de NiMH pot tenir dos o tres vegades la capacitat d’una bateria de NiCd de la mateixa mida, i la seva densitat d’energia pot aproximar-se a la d’una bateria de ions de liti. A diferència de la química del NiCd, les bateries basades en la química del NiMH no són susceptibles a l' efecte de "memòria" que experimenten els NiCads.

A continuació es mostren algunes de les propietats de les bateries basades en la química de l’hidruri níquel-metall;

• Energia específica: 60-120h / kg
• Densitat energètica: 140-300 Wh / L
• Potència específica: 250-1000 W / kg
• Eficiència de càrrega / descàrrega: 66% - 92%
• Taxa d’autodescàrrega: 1,3-2,9% / mes a 20 ^o C
• Durada / vida del cicle: 180-2000

3. Bateries d’ions de liti

Les bateries de ions de liti són un dels tipus de bateries recarregables més populars. Hi ha molts tipus diferents de bateries de liti, però entre totes són les més utilitzades. Podeu trobar aquestes bateries de liti en diferents formes popularment entre vehicles elèctrics i altres aparells portàtils. Si teniu curiositat per obtenir més informació sobre les bateries que s’utilitzen als vehicles elèctrics, consulteu aquest article sobre les bateries de vehicles elèctrics. Es troben en diferents aparells portàtils, inclosos els telèfons mòbils, dispositius intel·ligents i diversos altres aparells amb bateria que s’utilitzen a casa. També troben aplicacions en aplicacions aeroespacials i militars per la seva naturalesa lleugera.

Les bateries de ions de liti són un tipus de bateria recarregable en què els ions de liti de l’elèctrode negatiu migren a l’elèctrode positiu durant la descàrrega i tornen a l’elèctrode negatiu quan es carrega la bateria. Les bateries de ions de li utilitzen un compost de liti intercalat com a material d’un elèctrode, en comparació amb el liti metàl·lic que s’utilitza a les bateries de liti no recarregables.

Les bateries de ions de liti solen tenir una alta densitat d’energia, poc o cap efecte de memòria i baixa autodescàrrega en comparació amb altres tipus de bateries. La seva química, juntament amb el rendiment i el cost, varien segons els casos d’ús, per exemple, les bateries de ions de Li que s’utilitzen en dispositius electrònics de mà solen basar-se en òxid de liti-cobalt (LiCoO ₂), que proporciona una alta densitat d’energia i riscos de seguretat baixos quan es danyen mentre que els ions de Li les bateries basades en fosfat de ferro de liti que ofereixen una densitat energètica més baixa són més segures a causa de la reducció de la probabilitat que es produeixin esdeveniments desafortunats, s’utilitzen àmpliament per alimentar eines elèctriques i equips mèdics. Les bateries de ions de liti ofereixen el millor rendiment en relació amb el pes, mentre que la bateria de liti sofre ofereix la millor relació.

A continuació s’enumeren alguns dels atributs de les bateries de liti-ió;

• Energia específica: 100: 265W-h / kg
• Densitat energètica: 250: 693 Wh / L
• Potència específica: 250: 340 W / kg
• Percentatge de càrrega / descàrrega: 80-90%
• Durabilitat del cicle: 400: 1200 cicles
• Tensió nominal de la cèl·lula: NMC 3,6 / 3,85V

4. Bateries de plom àcid

Les bateries de plom-àcid són un cavall d’energia fiable i de baix cost que s’utilitza en aplicacions pesades. Normalment són molt grans i pel seu pes sempre s’utilitzen en aplicacions no portàtils, com ara l’emmagatzematge d’energia del panell solar, l’encesa i els llums dels vehicles, la potència de reserva i l’anivellament de la càrrega en la generació / distribució d’energia. El plom-àcid és el tipus de bateria recarregable més antic i encara és molt rellevant i important per al món actual. Les bateries de plom-àcid tenen relacions d’energia i volum molt baixes, però tenen una relació força-pes relativament gran i, en conseqüència, poden subministrar corrents de sobretensió enormes quan sigui necessari. Aquests atributs juntament amb el seu baix cost fan que aquestes bateries siguin atractives per al seu ús en diverses aplicacions de gran corrent, com l’alimentació de motors d’arrencada d’automòbils i per a l’emmagatzematge en fonts d’alimentació de seguretat.També podeu consultar l'article sobre el funcionament de la bateria de plom àcid si voleu obtenir més informació sobre els diferents tipus de bateries de plom àcid, la seva construcció i aplicacions.

Cadascuna d’aquestes bateries té la seva zona més adequada i la imatge següent serveix per triar entre elles.

Selecció de la bateria adequada per a la vostra aplicació

Un dels principals problemes que impedeixen revolucions tecnològiques com l’IoT és l’alimentació, la durada de la bateria afecta el desplegament reeixit de dispositius que requereixen una llarga durada de la bateria i, tot i que s’estan adoptant diverses tècniques de gestió d’energia per fer que la bateria duri més, encara s’ha de seleccionar una bateria compatible per aconseguir el resultat desitjat.

A continuació, es mostren alguns factors a tenir en compte a l’hora de seleccionar el tipus de bateria adequat per al vostre projecte.

1. Densitat energètica: la densitat energètica és la quantitat total d’energia que es pot emmagatzemar per unitat de massa o volum. Això determina el temps que el dispositiu roman encès abans que necessiti una recàrrega.

2. Densitat de potència: taxa màxima de descàrrega d'energia per unitat de massa o volum. Baixa potència: portàtil, i-pod. Alta potència: eines elèctriques.

3. Seguretat: és important tenir en compte la temperatura a la qual funcionarà el dispositiu que esteu construint. A altes temperatures, certs components de la bateria es deterioren i poden experimentar reaccions exotèrmiques. Les altes temperatures solen reduir el rendiment de la majoria de les bateries.

4. Durabilitat del cicle de vida: l'estabilitat de la densitat d'energia i la densitat de potència d'una bateria amb un cicle repetit (càrrega i descàrrega) és necessària per a la llarga durada de la bateria requerida per la majoria d'aplicacions.

5. Cost: el cost és una part important de les decisions d’enginyeria que prendreu. És important que el cost de l'elecció de la bateria sigui proporcional al seu rendiment i no augmenti el cost global del projecte de manera anormal.