Publicado : 19/02/2021 Pilas y baterías, todos los tipos y sus diferencias – LiPo, Li-Ion, Ni-MH, etc. - Categorías : Productos , Teoría Este artículo te explicará las diferencias entre baterías LiPo, Li-Ion, Ni-MH y baterías de gel, así como sus características principales. Si quieres conocer la diferencia entre batería de litio y LiPo, o que batería de gel usar, o como se cargan las baterías según su tipo, el por qué de su nombre, características, y toooodo sobre pilas y baterías, con este artículo intentaremos resolverte todas las dudas sobre pilas 18650 y baterías. ÍNDICE 1. Introducción 2. ¿Qué es una celda? 3. Diferencia de términos: pila, batería o acumulador 4. Tipos de pilas y baterías 5. Diferencias entre las diferentes baterías 6. Tipos de conexiones – conexión serie y paralelo 7. Cómo cargar las pilas y baterías correctamente 1. Introducción Una batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente batería o acumulador, es un dispositivo que consiste en dos o más celdas electroquímicas las cuales convierten la energía química almacenada en corriente eléctrica. Cada celda consta de un electrodo positivo, o cátodo, un electrodo negativo, o ánodo, y electrolitos que permiten que los iones se muevan entre los electrodos. Este movimiento de iones permite que la corriente fluya fuera de la batería para llevar a cabo su función, alimentar un circuito eléctrico. 2. ¿Qué es una celda? ¿Pero qué es una celda? Una celda electroquímica, es por tanto un dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas (o bien, de producir reacciones químicas a través de la introducción de energía eléctrica, cuando se esté cargando la celda). Hay dos principales tipos: • Las celdas electrolíticas transforman una corriente eléctrica en una reacción química de oxidación-reducción que no tiene lugar de modo espontáneo. • Las celdas galvánicas o celdas voltaicas transforman una reacción química espontánea en una corriente eléctrica, como las pilas y baterías. Nos centraremos en este tipo último tipo durante el artículo, de las cuales hay dos tipos claramente diferenciados también: • Las celdas primarias transforman la energía química en energía eléctrica, de un modo prácticamente muy irreversible. Cuando se agota la cantidad inicial de reactivos presentes en la pila, la energía no puede ser fácilmente restaurada o devuelta a la celda electroquímica por medios eléctricos. • Las celdas secundarias pueden ser recargadas, es decir, sí que pueden revertir sus reacciones químicas mediante el suministro de energía eléctrica a la celda, hasta el restablecimiento de su composición original. Son, por tanto, las presentes en las pilas y baterías recargables, y en las cuales nos vamos a centrar más. 3. Diferencia de términos: pila, batería o acumulador Como sabemos, las baterías y pilas pueden tener multitud de formas y tamaños, desde las celdas en miniatura que se utilizan en relojes de pulsera y audífonos, a los bancos de baterías del tamaño de las habitaciones que proporcionan energía de reserva a las centrales telefónicas u ordenadores de centros de datos. ¿Pero qué diferencia hay entre una pila, una batería y un acumulador? Los términos, como siempre ocurre, cambian su uso geográficamente. Por ejemplo, en inglés se utiliza el término “battery” (batería) para nombrar a todos estos dispositivos. Sin embargo, en España y otros países se utilizan los términos de batería y acumulador para los que son de tipo recargables (cómo las Li-Ión o de ácido-plomo) como baterías de coche, patín eléctrico y demás. El término pila queda comúnmente usado para las pilas no recargables, como las de botón o las convencionales de mandos y dispositivos comunes. Cuando estas se pueden recargar, si se usa el término pila recargable para concretar, en lugar de pasar a batería. En otros países hispanohablantes, siguen la regla inglesa usando el término batería en lugar de pila, mientras que el término acumulador se usa también para referirse a condensadores eléctricos. El término pila y batería viene del comienzo de sus usos en la electricidad, donde se tenía que agrupar los elementos (las celdas) uno encima de otro, se apilaban, y de ahí viene pila; y en otros casos se ponían uno junto a otro, en batería. ¿Qué es lo correcto entonces? Pues simplemente usar el término PILA para referirse a los dispositivos con una sola celda de energía, y el término BATERÍA cuando tengan dos o más celdas. 4. Tipos de pilas y baterías Cómo hemos visto hay de varios tipos en función de las celdas, pero ahora vamos a ver su clasificación en función de su naturaleza interna, o lo que es lo mismo, sus materiales y el proceso de fabricación que han llevado. Vamos a hacer un repaso por los principales tipos de acumuladores recargables, y nos centraremos en los tipos más comunes. • Baterías de plomo-ácido: Está constituida por dos electrodos de plomo, de manera que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo (II) (PbSO4) incrustado en una matriz de plomo metálico en el elemento metálico (Pb); el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico. Las de tipo VRLA son de ácido-plomo regulada por válvula. Voltaje proporcionado: 2 V/elemento. Batería de Gel 12V 7Ah – Referencia PP104 • Baterías de níquel-hierro: La batería de níquel-hierro, también denominada de ferroníquel, desarrollada por Thomas Edison. En el diseño original de Edison el cátodo estaba compuesto por hileras de finos tubos formados por laminas enrolladas de acero niquelado, estos tubos están rellenos de hidróxido de níquel u oxi-hidróxido de níquel (NiOOH). El ánodo se componía de cajas perforadas delgadas de acero niquelado que contienen polvo de óxido ferroso (FeO). El electrólito es alcalino, una disolución de un 20% de potasa cáustica (KOH) en agua destilada. Voltaje proporcionado: 1,2 -1,4V. • Baterías de níquel-cadmio: Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de materiales permite recargar la batería una vez está agotada, para su reutilización. Sin embargo, su densidad de energía es de tan solo 50 Wh/kg, lo que hace que tengan poca capacidad. Voltaje proporcionado: 1,2 V. • Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH): Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria, por ello son usadas en pilas recargables para dispositivos que se usen bastante. Voltaje proporcionado: 1,2 V. Pila Recargable Fujitsu AA 2000 mAh Ni-Mh – Referencia: PP026 • Baterías de iones de litio (Li-ion): utilizan un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u óxido de manganeso. Su desarrollo es más reciente, y permite llegar a altas densidades de capacidad. No admiten descargas y sufren mucho cuando estas suceden; por lo que suelen llevar acoplada circuitería adicional para conocer el estado de la batería, y evitar así tanto la carga excesiva como la descarga completa. Voltaje proporcionado dependiendo del fabricante: - A plena carga: entre 4,2 V y 4,3 V - A carga nominal: entre 3,6 V y 3,7 V - A baja carga: entre 2,65 V y 2,75 V Pila Recargable XTAR 18650 3000mAh Li-ion – Referencia: PP054 • Baterías de polímero de litio (LiPo): Son una variación de las baterías de iones de litio (Li-ion). Sus características son muy similares, pero permiten una mayor densidad de energía, así como una tasa de descarga bastante superior. Estas baterías tienen un tamaño más reducido respecto a las de otros componentes. Cada celda tiene un voltaje nominal de 3,7 V, voltaje máximo 4,2 V y mínimo 3,0 V. Batería LIPO 210mAh 3.7V – Referencia: PP040 En un futuro Estamos seguros de que en un futuro no muy lejano tendremos ya entre nosotros nuevos tipos de baterías, ya que hay muchas investigaciones tecnológicas en marcha, y mucho más cuando la industria automovilística y grandes empresas como Tesla están metidas. Algunos tipos de baterías más son las siguientes: • Baterías de Magnesio: estas baterías que sustituye el ánodo de Litio por el de Magnesio, doblando la carga y reduciendo las probabilidades de combustión. • Baterías de kevlar: la universidad de Michigan lidera desde 2015 esta investigación para hacer más seguras la batería de litio. • Baterías basadas en titanio: la principal ventaja de esta clase de baterías es que se podrían cargar solo unos minutos y su vida útil multiplicaría x10 la vida de las baterías actuales. • Baterías de grafeno: Por el momento no tienen mucha aplicación, a principios de 2020 ya había compañías pioneras en el desarrollo de este tipo de baterías. Pero los estudios apuntan que pueden tener tres veces más capacidad que las baterías actuales con el mismo volumen y no son tan peligrosas, proporcionando además una vida útil mucho más larga, con ciclos de carga más cortos y, además, una mejor autonomía. Tabla resumen Las características y especificaciones más técnicas de estos acumuladores se pueden resumir en la siguiente tabla: Tipo Energía/ peso Tensión por elemento (V) Duración (número de recargas) Tiempo de carga Auto-descarga por mes (% del total) Plomo 30-40 Wh/kg 2 V 1000 8-16h 5 % Ni-Fe 30-55 Wh/kg 1,2 V + de 10 000 4-8h 10 % Ni-Cd 48-80 Wh/kg 1,25 V 500 10-14h * 30 % Ni-Mh 60-120 Wh/kg 1,25 V 1000 2h-4h * 20 % Li-ion 110-160 Wh/kg 3,7 V 4000 2h-4h 25 % Li-Po 100-130 Wh/kg 3,7 V 5000 1h-1,5h 10 % 5. Diferencias entre las diferentes baterías Con tanto tipo de pila y batería es normal preguntarse cual escoger, o cuales son las principales diferencias a la hora de usar una batería u otra para mi proyecto. Pues hay varios factores que tener en cuenta. Tensión Uno de los principales es la tensión requerida en tu sistema. Como podemos ver en la tabla de arriba, las que más voltaje por elemento ofrecen son las de Li-ion y Li-Po. Por esta razón y por su poco factor de efecto memoria, son las más utilizadas. Podemos encontrar baterías de polímero de litio en cada dispositivo móvil como Smartphones o tablets, ya que son pequeñas, flexibles, de gran duración y de poco peso en comparación con otras. Costo y fabricación bajo La primera batería que se te viene a la cabeza es la del coche, y esta es de tipo plomo ácido, porque a pesar de ser pesadas, tienen un coste de fabricación y precio inferior para las prestaciones que ofrecen, ideales para arranque de vehículos, sistemas fotovoltaicos y en aplicaciones estacionarias como acumuladores para fuentes de alimentación ininterrumpidas para equipos médicos, informáticos, equipos de seguridad, etc. Controlador electrónico La mayoría de las baterías de Ion-Litio (Li-ion), a diferencia de las de Niquel-Cadmio (Ni-Cd) o NiMH, incluyen un controlador electrónico, que permite regular la potencia y flujo descarga, para que tu batería no se sobrecaliente o explote. Esto las hace especialmente útiles en la mayoría de los dispositivos electrónicos recargables. Litio – Li-ion vs LiPo Entonces si hay dos tipos de batería que usan litio, ¿cuál escoger? ¿Cuáles son las diferencias entre la de Li-Ion y la LiPo? Como hemos dicho, la mayoría de las componentes actuales usan baterías de estos tipos debido a su bajo efecto memoria, ya que de lo contrario, al vargarse y descargarse tan a menudo, su capacidad disminuiría muy pronto y nadie quiere que su móvil se agote enseguida. En cuanto a las diferencias, si empezamos por lo más técnico, las baterías de Li-Ion usan como electrolito una sal de Litio contenida en un solvente orgánico (líquido) que proporciona los iones necesarios que circularán entre el cátodo hasta el ánodo durante la descarga. Estos iones generan una diferencia de potencial que hace moverse a los electrones (proporcionar energía) por el circuito al que está conectada la batería. Durante la carga se invierte la polaridad, el proceso es el inverso, es decir, los iones se mueven del ánodo al cátodo. En el caso de las baterías LiPo, el proceso es muy parecido, salvo que la sal de Litio está contenida en una especie de gel (un compuesto polimérico) en vez de un líquido, lo que hace menos probable un derrame o al menos más controlable. Pero la principal diferencia, y que se debe tener muy en cuenta en sus usos y fabricación, es que las baterías LiPo son altamente inflamables, pero sin embargo, como ventaja frente a las Li-ion, son más flexibles. Esto hace que se puedan curvar y adaptar más fácilmente y de forma resistiva a los dispositivos. Pilas 18650 ¿De qué tipo son las famosas pilas 18650? La pila 18650 es una batería recargable Li-ion, que se parece mucho a la pila tipo AA convencional, la cual tiene 1.5/1.2V, pero esta tiene en la salida el voltaje 3,7 V y capacidad de 1600 a 3600 mAh. Este tipo de pilas se utiliza en los equipos que requieren alta capacidad, por ejemplo, linternas LED, baterías de ordenadores portátiles, bicicletas eléctricas o bancos de energía (Power Bank). Pila Recargable Samsung INR18650 2500mAh Li-ion 3,7V 20A sin Protección – Referencia PP030 El significado de 18650 corresponde a sus medidas. Los dos primeros números (18) indican su diámetro, 18 mm, mientras que el número 650 nos dice que su longitud es 65 mm. Sin embargo, 65 mm es la longitud neta, pero la longitud total de batería. Las ventajas principales de estas baterías son el nivel bajo de autodescarga y ausencia de efecto de memoria. Las pilas 18650 son relativamente livianas, no exigen mucho mantenimiento y tienen larga vida útil – de 500 a 1000 ciclos. Algunas pilas incluyen circuitos de protección de descarga y carga, conocidos como BMS, PCB o PCM, los cuales alargan la vida útil de las baterías y disminuyen los riesgos de explosión. 6. Tipos de conexiones – conexión serie y paralelo Cuando se requiere tener mayor voltaje o capacidad, las pilas o baterías se agrupan para formar una con las características requeridas en la aplicación. Lo más aconsejable a la hora de agrupar pilas es que sean siempre el mismo modelo. Serie Si las conectas en serie, consigues sumar el voltaje de cada una. Para ello bastan con conectar el polo positivo de una pila con el negativo de la siguiente, y así sucesivamente. En este caso su amperaje se mantendrá constante a la más baja de ellas. Suponiendo pilas de 1200mAh y 5V, con la siguiente agrupación conseguimos 10V y 1200mAh, para nuestra carga (en este caso, a modo de ejemplo, hemos puesto una resistencia en serie con un LED). V1 y V2 en serie Conectando las pilas o celdas en serie, la capacidad se verá limitada por la menor de ellas, por eso conviene que sean iguales ya que de no serlo, estaríamos desperdiciando las de mayor capacidad. Paralelo Por otro lado, si las agrupamos en paralelo el voltaje se mantendrá igual, pero la capacidad se sumará. En esta agrupación es muy importante que sean pilas idénticas, ya que si no pueden aparecer problemas debido al desbalance de cargas. Suponiendo pilas de 1200mAh y 5V, con la siguiente agrupación conseguimos 5V y 2400mAh. V1 y V2 en paralelo Serie-Paralelo Este modo de agrupación, como su nombre indica, es una combinación de los dos y, por tanto, el resultado será una combinación. En las ramas en serie aumentará el voltaje a la suma de las pilas y la capacidad se mantenga, y al conectar estas ramas en paralelo haremos que la capacidad de estas ramas se sume. Suponiendo pilas de 1200mAh y 5V, con la siguiente agrupación conseguimos 10V y 2400mAh. V1 y V3 en serie, V2 y V4 en serie, y las ramas en paralelo Las baterías conectadas en paralelo o en serie-paralelo inicialmente no dan ningún problema, pero al cabo de un tiempo de funcionamiento, y si es intensivo, al cabo de unas pocas semanas se empiezan a apreciar las evidencias de los fallos que se generan: • La carga no es uniforme. Pasan de estar descargadas a estar casi con plena carga con una velocidad anormalmente rápida. Esto ocurre porque alguna de las baterías del banco descompensa la lectura de energía que hace el inversor/regulador. • La capacidad que apreciamos por su funcionamiento es inferior a la que debería ser. Como si tienes tanta capacidad, como puedo tener tan poca autonomía de uso. Esto ocurre porque alguna de las baterías del banco está más desgastada que el resto y arrastra una lectura muy baja de energía que desciende el voltaje del banco completo. • El desgaste de las baterías se acelera. Hay baterías que trabajan mucho más que otras puesto que las condiciones que se deben dar para que estemos lo más cerca posible de un sistema eléctrico perfecto no se dan. Estos problemas suelen deberse a: • Las baterías no se han adquirido todas a la vez. • La longitud de los cables no es idéntica. • La resistencia interna de las baterías no es idéntica (esto es inevitable) • El estado de carga inicial de todas las baterías nunca es igual. 7. Cómo cargar las pilas y baterías correctamente Las pilas vienen definidas por sus tres principales características, su voltaje en voltios (V), su capacidad en miliamperios hora (mAh) y su amperaje en amperios (A). Pero una característica técnica también relevante es el tiempo de carga y descarga, el cual también limita su ámbito de uso. Es una característica que se destaca mucho ya en los nuevos Smartphones y dispositivos, el tiempo de carga. Pero esto requiere también de otros factores, no sólo la propia batería, por ejemplo, los conectores, cables y adaptadores de carga. A mayor potencia, siempre que los dispositivos la soporten, más rápido se cargará. ¿Cómo se carga una batería? La capacidad de una batería se mide en Amperios o Miliamperios hora (Ah/mAh) indica la corriente que la batería puede suministrar durante 1 hora de uso, manteniendo la tensión de suministro en unas condiciones especificadas de temperatura estándar. Dicho esto, vamos a ver con números de una manera clara, como se relaciona el tiempo de carga con la capacidad en las baterías de litio. Un grupo de baterías de 250Ah podrían entregar 25 Amperios (A) durante 10 horas o la mitad de corriente (12,5 A) durante el doble de tiempo (20 h) en base a mantener siempre constante el producto de la corriente expresada en Amperios y el tiempo expresado en horas: 250 Ah. El proceso de carga es mediante cargadores que proporcionen hasta 4.22v, algunos cargadores permiten la carga de LiFePo a 3.6V. Durante este proceso de carga, lo que ocurre es que se aplica una corriente inversa a cuando la batería alimenta, de forma que estos átomos estables al aplicarse la misma energía que han usado para unirse comienzan ahora a separarse otra vez en iones por un proceso de rotura de enlaces. Por lo tanto, mientras el cargador está conectado, el dispositivo se alimenta de dicho cargador y los iones siguen separándose hasta que se completa el proceso. Estos iones no se unen porque está actuando la corriente inversa que lo impide. Entonces cuando quitamos el cargador el proceso vuelve a comenzar. Las tres fases del proceso de carga 1. Subida de corriente y tensión La batería se testea del voltaje actual, si este es inferior a 2.75v el cargador la interpreta como dañada. Por el contrario, si el voltaje es superior a 2.75v, el proceso de carga comienza a una intensidad mínima que va subiendo hasta la seleccionada. El voltaje de la batería también va subiendo. Esta fase es muy corta y en algunos cargadores no llega a ser visible. 2. Subida de la tensión con intensidad constante. Cuando se ha alcanzado la intensidad de carga seleccionada, la tensión va aumentando hasta los 3.6 o 4.22V por elemento. Esta es la fase de carga de la batería que proporciona una larga vida (400-500 ciclos). La batería habrá cargado aproximadamente el 80% de su capacidad 3. Bajada de la intensidad con tensión constante. Una vez alcanzada la tensión máxima, la intensidad de carga empieza a bajar lentamente sin que en ningún momento se sobrepase la tensión máxima. Cuando la intensidad de carga baja al mínimo del cargador, normalmente 100mA, el proceso de carga ha finalizado. Esta fase no es tan larga como la anterior y viene a completar los últimos 20% aproximado de la capacidad de la batería. Como va bajando la intensidad, el proceso es más lento. No importa demasiado tener la batería conectada más rato que el necesario para la carga, si bien se aconseja ajustar el tiempo y no abusar. ¿Cómo cargo mis baterías? En nuestro catálogo disponemos de muchos módulos cargadores de pilas, para PCB, pilas de petaca o pilas 18650. Puedes ver todas sus características y conexionado en el apartado: “Cargador de pilas” Módulo Cargador Baterías de litio TP4056 5V mini USB – Referencia A0008 Cargador de 2 Pilas baterías Recargables 18650 Li-Ion 3.7V con Cable – Referencia A0081 8. Fuentes https://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_(electricidad) https://es.wikipedia.org/wiki/Celda_electroqu%C3%ADmica 330Ohms https://hardzone.es/2018/03/24/baterias-nim-lipo-li-ion/ https://www.nextpit.es/bateria-li-ion-vs-lipo-tipos-comparacion https://www.bateriasdelitio.net/?p=51