Clasificación y Funcionamiento de Dispositivos Electroquímicos: Baterías, Celdas y Supercondensadores

Introducción a los Dispositivos Electroquímicos

Los dispositivos electroquímicos están formados por un electrolito (con iones libres) donde se insertan dos electrodos. En su funcionamiento, existe transporte de iones (en el electrolito) y de electrones (en los electrodos).

Los dispositivos electroquímicos se clasifican en tres tipos principales: baterías, celdas de combustible y condensadores electroquímicos (supercondensadores).

Tipos de Dispositivos Electroquímicos

1. Baterías

En las baterías, se produce una reacción química que transforma la energía química almacenada en energía eléctrica.

Características de las Baterías

• Son sistemas cerrados (algunas de litio).
• El material activo que produce las reacciones redox forma parte de los electrodos y del electrolito.
• El almacenamiento y la conversión de energía se producen en el mismo compartimento.
• Al suministrar corriente eléctrica a una carga externa, la reacción química desgasta los electrodos. La batería se agota debido a este desgaste.

Clasificación de Baterías

Baterías Primarias

• No son reversibles.
• Se ensamblan en estado de carga y se descargan hasta agotarse.
• Presentan una eficiencia muy baja.

Baterías Secundarias (Recargables)

• Son reversibles.
• La aplicación de corriente en sentido opuesto a la descarga permite cargarlas de nuevo.

Tipos de Baterías Secundarias

• Ácido-Plomo: Fueron las primeras baterías secundarias (1859). Son grandes y pesadas, con alta autodescarga y ciclo de vida reducido. Se utilizan para:
  • Arranque: Soportan grandes corrientes en un breve periodo.
  • Tracción: Soportan un gran número de ciclos de carga a gran profundidad.
  • Estacionarias: Ofrecen fiabilidad y baja autodescarga.
• Litio-Ion (Li-Ion): Su tamaño es 8 veces menor y son 20 veces más ligeras que las de Ácido-Plomo. Presentan una autodescarga de hasta el 5% y una esperanza de vida de hasta 1000 ciclos. Se utilizan principalmente como Estacionarias.
• NiMH (Níquel-Hidruro Metálico): Utilizadas como Estacionarias.

2. Celdas de Combustible

En las celdas de combustible también hay reacción química y se transforma energía química en eléctrica.

Características de las Celdas de Combustible

• Son sistemas abiertos.
• El material activo procede del exterior.
• Los electrodos y el electrolito sirven como catalizador (facilitan la reacción) o como medio de transporte de iones; no intervienen en la reacción y, por lo tanto, no se desgastan.
• El almacenamiento y la conversión de energía no se realizan en el mismo compartimento.
• Ejemplo: Vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno, con un rendimiento del 50-60%. Las pilas de combustible suelen ser muy costosas y pesadas.

3. Supercondensadores (Condensadores Electroquímicos)

Los supercondensadores no transforman energía química en eléctrica.

Funcionamiento de los Supercondensadores

Los iones del electrolito, bajo la influencia de un campo externo, se acumulan en las dos interfaces electrodo/electrolito, formando una doble capa eléctrica. Así se consiguen condensadores de capacidad muy elevada.

La capacidad depende de los electrodos y del espesor dieléctrico: a mayor área y menor espesor, mayor capacidad.

Parámetros Clave de las Baterías

Métricas de Rendimiento

• Densidad de energía volumétrica: Cantidad de energía por unidad de volumen o peso.
• Densidad de potencia volumétrica: Cantidad de potencia que es capaz de suministrar por unidad de volumen o peso.
• Capacidad de la Batería: Indica cuánta carga puede almacenar, determinada por la cantidad de materia activa en contacto con los electrodos.
• Ciclo de vida: Número de veces que puede cargarse la batería hasta que su capacidad se reduce al 80%.
• Autodescarga: Porcentaje de descarga de la batería sin ninguna carga conectada (medido típicamente en 1 mes).
• Profundidad de descarga: Porcentaje de descarga máxima en relación con la capacidad total de la batería.

Circuitos Asociados a la Gestión de Baterías

Circuitos de Carga

Cargan la batería con una fuente de energía. Existen tres formas de carga:

1. A corriente constante (CC).
2. A tensión constante (CV).
3. Combinación de ambas (CCCV).

Formas de Cargar Baterías Específicas

• CC: NiMH, NiCd.
• CV: Ácido-Plomo.
• CCCV: Li-Ion, Ácido-Plomo.

Circuitos de Seguridad

Aseguran que no se sobrepasen los límites de carga y descarga para evitar el deterioro de la batería.

• Detección de Sobrecarga: Se detecta mediante la tensión en la batería o la temperatura. En baterías NiCd, se detecta con un aumento de temperatura de +10 grados y/o una baja tensión de 45 mV. Un diodo Zener en paralelo con la batería limitaría su tensión de carga a la tensión Zener.
• Detección de Sobredescarga: Se detecta mediante la tensión de la batería, lo que provoca la apertura del interruptor.

Circuitos de Supervisión

Indican la carga útil y la esperanza de vida de la batería. Evalúan el estado de carga y la salud de la batería.

• Estado de Carga (SOC): Se puede usar un contador de carga. El estado de carga es la cantidad de carga disponible respecto a la capacidad máxima.
• Estado de Salud (SOH): Es la relación entre la capacidad máxima de almacenamiento actual y la capacidad nominal, e indica la degradación de la batería.