viernes, 20 de marzo de 2015

BATERÍA DE TRACTOR, DEL PLOMO-ÁCIDO AL GRAFENO. ¿EN REALIDAD HAY DIFERENCIAS?

Batería convencional de ácido
LA BATERÍA ¿QUÉ ES?
Una batería es un elemento que genera energía eléctrica a partir de reacciones químicas.
Se dispone de muchos tipos de baterías, entre las más conocidas destacan las de ácido-plomo (las que llevan nuestros tractores y turismos), las de ión-litio (la habitual en ordenadores portátiles, teléfonos móviles) o las de Níquel Hidruro Metálico (se utilizan reemplanzando a las típicas pilas que son baterías no recargables, en dispositivos como juguetes, relojes, cámaras fotográficas...)
Una batería está compuesta por un polo negativo denominado ánodo (donde se produce una reacción de oxidación), otro polo positivo denominado cátodo (electrodo en el cual se produce otra reacción química denominada reducción) y el “líquido” o electrolito que es el encargado de permitir el paso de electrones desde un polo al otro. El electrolito normalmente usado en baterías de automoción es líquido aunque también hay baterías de gel pero en cualquier caso con “iones” libres para que se puedan hacer las reacciones químicas de oxidación reducción (por eso se les suele llamar reacciones Redox)

PARÁMETROS DE UNA BATERÍA
Para valorar lo bueno y lo malo de una batería hay que fijar unos parámetros que puedan ser fácilmente medidos y contrastados. Estos son los principales para analizar la idoneidad de una batería:
  • Tensión: Sin duda lo primero que se debe tener en cuenta. Se mide en voltios, V, (suele estar comprendido entre 1 y 3 V por elemento) y para entendernos usaré el símil del molino de agua que muchos recordaremos de nuestra niñez. En este símil el voltaje sería como la altura de la caída del agua para mover la rueda: cuanta más altura de caída mayor es la fuerza generada
  • Corriente: Se mide en culombios (C) y siguiendo con el símil sería el caudal de agua que cae hacia la rueda del molino, cuando mayor caudal mayor capacidad para mover la rueda
  • Capacidad de carga: Se mide en amperios-hora (Ah) y es la energía que puede acumular la batería (en el simil del molino sería la balsa que acumula el agua para tener la capacidad de mover la rueda). Se trata de una medida de la energía que puede entregar la batería en una hora y se trata de un parámetro que influye en la duración de la carga de la propia batería.
  • Intensidad: Se mide en amperios (A) y sobre todo un parámetro muy importante de una batería es la denominada intensidad máxima de corriente que es el pico máximo, por ejemplo para el arranque, que puede proporcionar
  • Ciclo: Se llama ciclo de uso al correspondiente a una carga y descarga
  • Densidad de energía: Es la cantidad de energía que se puede acumular por unidad de masa o volumen
  • Capacidad de almacenamiento: se mide en vatios por hora o también se puede dar por kilogramo de peso, así se puede decir 40 Wh/kg
  • Efecto memoria: se llama así a un fenómeno por el cual si una batería no se ha descargado completamente sólo podrán recargarse hasta un límite que ya es inferior al máximo. Además este proceso se repite de forma continua
CUANDO SE ACABA UNA BATERÍA
Una batería puede “acabarse” por rotura (por ejemplo comunicación de vasos) pero también se “agota” es decir, no es capaz de ceder más electrones, en ese momento hay que revertir la reacción para proceder de nuevo a su carga y entonces se ha concluido un ciclo de la batería. En función del tipo de batería esta tendrá más o menos ciclos de vida útil.
Recarga: La gran diferencia entre pila y batería es la capacidad de recarga de las últimas. La capacidad de recarga se debe a que las reacciones químicas que se producen en su interior son en gran parte reversibles. Recordemos que hablábamos de reacciones redox (oxidación-reducción) pues este tipo de reacción pueden ir en un sentido o en otro.
La recarga lo que hace es aplicar una corriente eléctrica de tal forma que vaya en sentido inverso, así el fenómeno revierte y se regeneran. Es decir si el sentido normal es del ánodo al cátodo con la recarga el sentido de electrones es del cátodo al ánodo.
En un vehículo convencional actual el alternador a través de una serie de transistores, transforma la energía generada para alimentar a la batería (CC), pero también en aquellos coches de última generación con unidades de potencia, MGU, lo que se produce es energía alterna que igualmente hay que transformarla a continua.

TIPOS DE BATERÍAS
Batería en un F1 (Renault Sport)
PLOMO ÁCIDO
Son, con mucho, las más corrientes y en realidad las únicas usadas para el arranque en los vehículos habituales. Hacia 1860 un francés ya construyó el que se considera el primer modelo de batería de plomo-ácido con el fin de que fuese recargable.
Se trata de baterías muy pesadas y voluminosas pues tienen una baja densidad de energía (30 Wh/kg) razón por la que es impensable utilizarlas como acumuladores en vehículos eléctricos, aviones, submarinos….
Se forman introduciendo en un depósito plástico (normalmente polipropileno) un electrolito ácido formado por sulfúrico que rodea a un conjunto de placas de plomo que se disponen como láminas paralelas. En realidad un acumulador se constituye con la conexión de varios vasos o elementos estancos, cada uno proporciona 2 V, de tal forma que si conectamos en serie 6 vasos nos da la típica batería de 12 V, o 12 vasos para 24 V
Una batería nueva, recién estrenada, deberá tener una densidad en el electrolito de 1,280 g/ml. Con el uso y el tiempo la intensidad o corriente que suministra va decreciendo al mismo tiempo que disminuye la densidad hasta 1,1 g/ml cuando la batería se descarga.
Lo bueno y lo malo: Lo mejor de estas baterías es su bajo coste y su fácil fabricación; en contra figura que una descarga profunda prácticamente las hace inutilizable, además son muy contaminantes (plomo y ácido), tampoco tienen una alta densidad de energía.
Niquel-Hierro
También se les denomina baterías de ferroníquel y que ya la patentó T. Edison a principios del siglo XX. Su inventor intentaba combatir la poca vida útil de las baterías de ácido. Con la ferroníquel lo logró pues presentan unos ciclos de vida muy largos. En cuanto a la densidad de energía es similar a las de ácido.
Batería Ni-MH (foto Wikipedia)
En este caso el electrolito es alcalino (potasa), y rodea a las placas o tubos de acero niquelados que están rellenos de hidróxido de níquel.
Lo bueno y lo malo: Al igual que las baterías de ácido sus ventajas son el bajo coste y su fácil fabricación pero añadiéndole que es mucho menos vulnerable a las descargas totales y aún así se puede “resucitar” la batería pero es que además son baterías apenas contaminantes pues la potasa es un buen fertilizante y no contiene metales pesados.
Como principal desventaja figura su eficiencia energética.
Níquel Cadmio (NiCd):  Son baterías muy buenas para usos industriales pero que están siendo rápidamente desplazadas por las de hidruro metálico (NiMH) debido a que tienen un acusado efecto memoria amén de que el cadmio es un material muy contaminante.
Ion Litio (Li-Ion): Son las más modernas en su uso comercial pues datan de 1990 y quiero dedicarles un apartado especial por ser, pienso, el futuro en las baterías incluso para uso agrícola.
NÍQUEL-HIDRURO METÁLICO (Ni-MH)
El ánodo es idéntico a las de NiCd es decir de Níquel pero el cátodo es una aleación de hidruro metálico.
Ion Litio frente a las de ácido: tamaño y peso
Su gran “enemigo” es que son muy contaminantes, pero tiene muchas ventajas como su densidad de energía y tienen poco efecto memoria.
Se usan mucho en dispositivos electrónicos y son las más usadas en aquellos vehículos de propulsión totalmente eléctrica o incluso en los vehículos híbridos.
Pilas de combustible
En realidad la pila de combustible (o celda de combustible) no es un acumulador como los que he citado hasta ahora si es verdad que convierte la energía química en eléctrica y también es recargable. En la pila de combustible lo que se usa es el hidrógeno en un flujo continuo, desde el exterior, que se mezcla con el oxígeno del aire para obtener el movimiento de electrones y como subproducto el agua. Se trata de una reacción de muy alta eficiencia energética. Además este tipo de “baterías” tiene un mínimo impacto ambiental.
Honda por ejemplo ya lo usa en su vehículo el FCV o el Toyota Mirai y no olvidemos el prototipo de New Holland el NH2  

Baterías de ión litio
Son las baterías de moda debido a su ligereza, a la resistencia a la descarga y casi nulo efecto memoria, también destacan por su gran capacidad energética. Utilizan como electrolito una sal de litio lo que les permite tener formas libres capaces de adaptarse a casi cualquier sitio.
https://www.youtube.com/watch?v=cZS0r5n4sdI
NH2 de New Holland
Se trata de las baterías más usadas en la industria electrónica (teléfonos móviles, tablets, ordenadores portátiles…) pero es que además se están usando cada vez más en detrimento de la batería “tradicional”. Pasará tiempo hasta que veamos que nuestros tractores llevan este tipo de baterías pero ya las tenemos en los tractores y equipos modernos para dar, por ejemplo, autonomía en las centralitas electrónicas del tractor.
Actualmente se tiende a fabricar baterías menos pesadas, más pequeñas y más potentes y de momento aquí gana el ion-litio con una capacidad de almacenamiento de hasta 150 Wh/kg
Se trata de unos “vasos” o celdas dispuestas en “sándwich”, con un electrolito formado por un gel de sal de lítio que rodea a materiales como el níquel, fosfato de hierro, cobalto, manganeso y sus mezclas (el más común es el denominado NMC o mezcla de níquel, manganeso y cobalto). En función del número de celdas unidas se consiguen baterías de mayores o menos prestaciones (tensión, intensidad, potencia)
¿Por qué el ión litio?: Pues porque el litio es el sólido más ligero que existe eso significa que todos los elementos que cuente con él en su fabricación serán menos pesados comparativamente a otros pero no es solamente el peso lo que interviene si no que además la densidad de energía es mucho mayor que en otros dispositivos similares.
Ni-Cd
Las ventajas del ion litio no quedan en esto, además no tienen el denominado efecto memoria y además pueden aguantar muchos ciclos de carga y descarga y no afectar a su rendimiento y a su capacidad energética. Otras ventajas son su larga vida y su baja tasa de autodescarga (si no se usa no se gasta)
¿Y en el lado negativo?: Lo mejor ya lo he citado en cuanto al lado negativo figura su sensibilidad a la temperatura pues pueden tener un comportamiento incluso peligroso si sube excesivamente la temperatura, por ello las baterías de móviles y ordenadores van con dispositivos de seguridad. Pero claro seguro que también el lector adivina otra sería desventaja… ¡exacto!, el precio
Ion-Litio
Algo más (recordar aquí): una ventaja importante es que este tipo de baterías se pueden regenerar en procesos como el del aprovechamiento de la energía del frenado aunque para eso por supuesto habría que disponer de sistemas un poco más complicados que el actual alternador y convertidor de corriente de nuestros tractores. Para el proceso sería necesario contar de dispositivos electrónicos con su software y hardware para mantener la batería en equilibrio en cuanto a temperatura, corriente y voltaje.

LO ÚLTIMO: BATERÍAS DE GRAFENO

Uno de los problemas habituales de las baterías es la limitación de carga así como su durabilidad. Ahora se está hablando mucho de las baterías de grafeno como solución en aplicaciones donde los problemas comentados son más evidentes. Concretamente hay una empresa española, Graphenano, que está en vanguardia en la fabricación de baterías de grafeno. Lo que hace especial a estas baterías es que tienen una velocidad de carga muy rápida y además tienen mayor densidad de energía que las de iones litio (la empresa española Graphenano habla de 1000 Wh/kg, compárese con la de 180 Wh/kg de una batería de iones Litio)

También las baterías de grafeno son más ligeras y eso significa que no es necesario cargar con tanto peso “muerto” en el aparato que las utilice: vehículo, ordenador, teléfono…


Pero qué es el grafeno: se trata de un polímero de carbono puro similar al grafito pero con más pureza y que tiene una enorme conductividad eléctrica. Pero lo que lo hace realmente especial es que puede generar electricidad al ser alcanzado cuando se ilumina. 

Bibliografía:

1 comentario:

  1. Muy interesante el articulo Helio.
    Las baterías de ion de litio son el futuro. Hay que ver como avanza la tecnología en poco tiempo, en los últimos 30 años hemos avanzado más que en toda la historia.
    Veremos que nos depara el futuro, el ritmo es de vértigo.
    Un saludo

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