UN batería, que en realidad es una celda eléctrica, es un dispositivo que produce electricidad a partir de una reacción química. Estrictamente hablando, una batería consta de dos o más celdas conectadas en serie o en paralelo, pero el término generalmente se usa para una sola celda. Una celda consiste en un electrodo negativo; un electrolito, que conduce iones; un separador, también un conductor de iones; y un electrodo positivo. los electrólito puede ser acuoso (compuesto de agua) o no acuoso (no compuesto de agua), en forma líquida, pastosa o sólida. Cuando la celda está conectada a una carga externa, o dispositivo a alimentar, el electrodo negativo suministra una corriente de electrones que fluyen a través de la carga y son aceptados por el electrodo positivo. Cuando se elimina la carga externa, la reacción cesa.
Una batería primaria es aquella que puede convertir sus productos químicos en electricidad solo una vez y luego debe desecharse. Una batería secundaria tiene electrodos que pueden reconstituirse haciendo pasar electricidad a través de ella; También llamada batería de almacenamiento o recargable, puede reutilizarse muchas veces.
Esta batería utiliza óxido de níquel en su electrodo positivo (cátodo), un compuesto de cadmio en su electrodo negativo (ánodo) y una solución de hidróxido de potasio como electrolito. La batería de níquel cadmio es recargable, por lo que puede realizar ciclos repetidamente. Una batería de níquel cadmio convierte la energía química en energía eléctrica al momento de la descarga y convierte la energía eléctrica nuevamente en energía química durante la recarga. En una batería de NiCd completamente descargada, el cátodo contiene hidróxido de níquel [Ni (OH) 2] e hidróxido de cadmio [Cd (OH) 2] en el ánodo. Cuando se carga la batería, la composición química del cátodo se transforma y el hidróxido de níquel cambia a oxihidróxido de níquel [NiOOH]. En el ánodo, el hidróxido de cadmio se transforma en cadmio. A medida que la batería se descarga, el proceso se invierte, como se muestra en la siguiente fórmula.
La batería de níquel-hidrógeno puede considerarse un híbrido entre la batería de níquel-cadmio y la pila de combustible. El electrodo de cadmio fue reemplazado por un electrodo de gas hidrógeno. Esta batería es visualmente muy diferente de la batería de níquel-cadmio porque la celda es un recipiente a presión, que debe contener más de mil libras por pulgada cuadrada (psi) de gas hidrógeno. Es significativamente más ligero que el níquel-cadmio, pero es más difícil de empaquetar, al igual que una caja de huevos.
Las baterías de níquel-hidrógeno a veces se confunden con las baterías de hidruro de níquel-metal, las baterías comúnmente encontradas en teléfonos celulares y computadoras portátiles. El níquel-hidrógeno, así como las baterías de níquel-cadmio usan el mismo electrolito, una solución de hidróxido de potasio, que comúnmente se llama lejía.
Los incentivos para desarrollar baterías de níquel / hidruro metálico (Ni-MH) provienen de preocupaciones urgentes sobre la salud y el medio ambiente para encontrar reemplazos para las baterías recargables de níquel / cadmio. Debido a los requisitos de seguridad de los trabajadores, el procesamiento de cadmio para baterías en los EE. UU. Ya está en proceso de eliminación gradual. Además, la legislación ambiental para los años 1990 y el siglo XXI probablemente obligará a reducir el uso de cadmio en las baterías para uso del consumidor. A pesar de estas presiones, junto a la batería de plomo-ácido, la batería de níquel / cadmio todavía tiene la mayor parte del mercado de baterías recargables. Otros incentivos para investigar las baterías a base de hidrógeno provienen de la creencia general de que el hidrógeno y la electricidad desplazarán y eventualmente reemplazarán fracción significativa de las contribuciones de los recursos de combustibles fósiles que transportan energía, convirtiéndose en la base de un sistema energético sostenible basado en energías renovables fuentes. Finalmente, existe un considerable interés en el desarrollo de baterías Ni-MH para vehículos eléctricos y vehículos híbridos.
El electrolito KOH solo puede transportar los iones OH y, para equilibrar el transporte de carga, los electrones deben circular a través de la carga externa. El electrodo de oxihidróxido de níquel (ecuación 1) ha sido ampliamente investigado y caracterizado, y su aplicación ha sido ampliamente demostrada tanto para aplicaciones terrestres como aeroespaciales. La mayor parte de la investigación actual en baterías de Ni / Hidruro Metálico ha involucrado la mejora del rendimiento del ánodo de hidruro metálico. Específicamente, esto requiere el desarrollo de un electrodo de hidruro con las siguientes características: (1) largo ciclo de vida, (2) alta capacidad, (3) alta velocidad de carga y descarga a un voltaje constante, y (4) retención capacidad.
Estos sistemas son diferentes de todas las baterías mencionadas anteriormente, ya que no se utiliza agua en el electrolito. En su lugar, utilizan un electrolito no acuoso, que está compuesto de líquidos orgánicos y sales de litio para proporcionar conductividad iónica. Este sistema tiene voltajes celulares mucho más altos que los sistemas de electrolitos acuosos. Sin agua, se elimina la evolución de los gases de hidrógeno y oxígeno y las células pueden operar con potenciales mucho más amplios. También requieren un ensamblaje más complejo, ya que debe hacerse en una atmósfera casi perfectamente seca.
Una serie de baterías no recargables se desarrollaron primero con metal de litio como el ánodo. Las celdas de monedas comerciales utilizadas para las baterías de relojes de hoy son principalmente una química de litio. Estos sistemas usan una variedad de sistemas de cátodos que son lo suficientemente seguros para el uso del consumidor. Los cátodos están hechos de varios materiales, como el monofluoruro de carbono, el óxido de cobre o el pentóxido de vanadio. Todos los sistemas de cátodos sólidos están limitados en la velocidad de descarga que soportarán.
Para obtener una tasa de descarga más alta, se desarrollaron sistemas de cátodo líquido. El electrolito es reactivo en estos diseños y reacciona en el cátodo poroso, que proporciona sitios catalíticos y recolección de corriente eléctrica. Varios ejemplos de estos sistemas incluyen cloruro de litio-tionilo y dióxido de litio-azufre. Estas baterías se usan en el espacio y para aplicaciones militares, así como para balizas de emergencia en el suelo. Generalmente no están disponibles para el público porque son menos seguros que los sistemas de cátodos sólidos.
Se cree que el siguiente paso en la tecnología de batería de iones de litio es la batería de polímero de litio. Esta batería reemplaza el electrolito líquido con un electrolito gelificado o un verdadero electrolito sólido. Se supone que estas baterías son aún más livianas que las baterías de iones de litio, pero actualmente no hay planes para volar esta tecnología en el espacio. Tampoco está comúnmente disponible en el mercado comercial, aunque puede estar a la vuelta de la esquina.
En retrospectiva, hemos recorrido un largo camino desde la fuga Linterna baterías de los años sesenta, cuando nació el vuelo espacial. Hay una amplia gama de soluciones disponibles para satisfacer las muchas demandas de los vuelos espaciales, 80 bajo cero a las altas temperaturas de un vuelo solar. Es posible manejar radiación masiva, décadas de servicio y cargas que alcanzan decenas de kilovatios. Habrá una evolución continua de esta tecnología y un esfuerzo constante hacia baterías mejoradas.