Del mismo modo que los sistemas son cada día más móviles, las baterías son un componente cada vez más esencial del diseño. Se suministran en todos los formatos, tamaños y capacidades, pero no hay ninguna que atienda todos los requisitos.
Existen grandes diferencias entre las composiciones químicas de las baterías, pero las baterías de iones de litio no siempre son la mejor opción. En este artículo compararemos las baterías de hidruro metálico de níquel, de plomo-ácido y de iones de litio, enfocándonos en los beneficios de cada una y las áreas donde estas tienen un mejor desempeño. Describiré aquellas con una mayor densidad de energía para luego continuar con las de mayor densidad por peso. La densidad de energía generalmente se mide en Wh/Kg o Wh/L, lo que nos da la cantidad de energía almacenada por peso o volumen.
Plomo-ácido
En la base de la pirámide de la densidad de energía se encuentra la tradicional batería de plomo-ácido. La batería de plomo-ácido se ha usado desde 1859 y es la solución de baterías recargables más común. Generalmente, las baterías de plomo-ácido están disponibles en 12 V o 6 V con 2 V por pila y varias capacidades vatio-hora para adaptarse a múltiples usos: desde motocicletas a vehículos a incluso grandes bancos de baterías que ayudan a mantener las torres de teléfonos celulares en caso de pérdida de potencia. Una de las principales ventajas de las baterías de plomo-ácido es que tienen una densidad de potencia alta, la que se distingue de la densidad de energía. Cuando un dispositivo tiene densidad de potencia alta, significa que puede mantener un alto consumo de corriente por un cierto periodo. Debido a su alta capacidad de transporte de corriente, las baterías de plomo-ácido se usan frecuentemente en vehículos para ayudar en la ventilación de los motores; desde 160 A para un motor a gas de 4 cilindros hasta 650 A para un motor diésel de 8 cilindros.
Las baterías de plomo-ácido pueden ser muy útiles en las aplicaciones correctas, pero no ofrecen muchas soluciones. Si bien su densidad de potencia es alta, su densidad de energía es baja, lo que significa que en comparación con otros sistemas de alimentación portátiles, estas ocupan más espacio y son más pesadas. Por ejemplo, no sería práctico usar un reloj inteligente con una batería muy grande y pesada, pero en un vehículo el peso extra podría no ser un problema. Debería usar una batería de plomo-ácido cuando su sistema no tiene limitaciones de peso o espacio y necesita un gran capacidad de transporte de corriente y una fuente de alimentación a batería duradera. Otro factor a favor de esta tradicional batería es su alta tolerancia a las temperaturas. Un paquete de plomo-ácido tiene un mejor rendimiento en temperaturas extremas que otras baterías.
Hidruro metálico de níquel / níquel-cadmio
En el siguiente nivel de la densidad de energía se encuentran las baterías de hidruro metálico de níquel y níquel-cadmio). Las baterías de NiMH y NiCD son similares en términos de capacidades, pero las baterías de NiCD han sido reemplazadas rápidamente por las de NiMH, ya que se prohibió el uso de baterías NiCD dentro de la Unión Europea (excepto en usos específicos), dada su toxicidad. Las baterías de NiMH también tienen una mejor densidad de energía que las baterías de NiCD, pero generalmente son menos resistentes a las sobrecargas y tiene un mayor índice de autodescarga, lo que significa que tienen una menor vida de almacenamiento. Ambas baterías generalmente se encuentran disponibles en 1, 2 V por pila y tienen una buena capacidad de gestión de energía.
Con una mayor densidad de energía que las baterías de plomo-ácido, las baterías NiCD y NiMH son útiles en varios sistemas portátiles, especialmente en herramientas eléctricas portátiles que requieren una salida de corriente considerable. En sistemas que tienen limitaciones de espacio y peso, pero que requieren una salida de corriente importante, las baterías de NiMH son una solución asequible. Algunos de los factores para preferir una batería NiMH en lugar de otras baterías (como las de iones de litio) son su costo y posiblemente su ciclo de vida, pero estos factores están quedando atrás gracias a la tecnología en baterías más reciente.
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Baterías de iones de litio
Por último, pero no por eso menos importante, describiremos la tecnología de las baterías de iones de litio, la que comenzó a producirse a escala comercial a principios de los 90. El término iones de litio puede ser un poco engañoso, ya que comprende una gran variedad de composiciones químicas que no son igual entre sí, pero que incluyen un ánodo a base de litio y un cátodo de otro material. Se ha trabajado mucho para optimizar los materiales de estas baterías para que se adapten a varios usos y usted debería conocer sus ventajas antes de decidirse por un tipo específico de batería. Actualmente, las baterías de iones de litio están ocupando el lugar de las baterías con mayor densidad de energía más comunes y son útiles para artículos electrónicos portátiles. El voltaje común de estas baterías es de 3,6 V and 3,8 V, pero tienen una capacidad limitada para gestionar corrientes altas.
Algunas baterías cilíndricas están limitadas a índices de descarga de 0,7 C o 1C (donde C se refiere a capacidad); una batería de 1000 mAh tendría un índice de descarga de 1 C de 1 A. Esta limitada capacidad de gestión de corriente hace que las baterías de iones de litio no sean adecuadas para artículos como herramientas eléctricas, pero si las hace adecuadas para artículos de consumo, donde se han convertido en la batería preferida. Se han logrado mejoras significativas en la clasificación C (mediante cambios en su fabricación y composición química), por lo que ahora puede encontrar baterías con clasificación de 5 C a 20 C. Estas baterías con mayor clasificación se están usando con mayor frecuencia en sistemas aerotransportados, como vehículos de rotores múltiples. En la actualidad, para la mayoría de los sistemas portátiles, recomendaría soluciones a base de litio, ya que le darán flexibilidad a su diseño al ser más livianas y compactas, aunque generalmente son más caras que las soluciones NiMH o de plomo-ácido.
Otro punto a considerar sobre las soluciones a base de litio: no tienen un buen desempeño con estrés cuando se cargan o descargan. Si una batería de litio se somete a estrés y no se protege de forma adecuada, puede causar un incendio o incluso una explosión como la del Boeing 787 Dreamliner. Para manejar este problema, se necesita más trabajo de diseño para ofrecer protección que el que requieren las baterías de plomo-ácido o NiMH.
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Esta fue la breve descripción de las tres baterías más populares en el mundo portátil. Las baterías de plomo-ácido son grandes y pesadas, pero confiables y económicas. Las baterías de NiMH son más compactas y pueden gestionar mayores cargas de corriente, pero tienen problemas de memoria. Las baterías de iones de litio son la solución más pequeña y avanzada, pero también es la más costosa y la que requiere un mayor diseño. Si compara los pros y los contras de cada una, podrá encontrar la fuente de alimentación a batería adecuada para su ensamble.
