Batería de níquel-hidruro metálico

Batería de níquel-hidruro metálico

Pilas recargables modernas de Ni-MH
Energía específica	0,22-0,43 MJ / kg (60–120 W · h /kg)
Densidad de energía	140–300 Wh/ L
Potencia específica	250–1000 W/kg
Eficiencia de carga/descarga	66% [1] –92% [2]
Tasa de autodescarga	Por mes: 13,9–70,6% a temperatura ambiente 36,4–97,8 % a 45 °C (113 °F) Baja autodescarga: 0,08–2,9 % [3]
Durabilidad del ciclo	180 [4] –2000 [5] ciclos
Voltaje nominal de la celda	1,2 voltios

Una batería de níquel-hidruro metálico ( NiMH o Ni–MH ) es un tipo de batería recargable . La reacción química en el electrodo positivo es similar a la de la celda de níquel-cadmio (NiCd), y ambas utilizan óxido hidróxido de níquel (NiOOH). Sin embargo, los electrodos negativos utilizan una aleación que absorbe hidrógeno en lugar de cadmio . Las baterías de NiMH pueden tener entre dos y tres veces la capacidad de las baterías de NiCd del mismo tamaño, con una densidad de energía significativamente mayor , aunque solo alrededor de la mitad de la de las baterías de iones de litio . ^[6]

Por lo general, se utilizan como sustituto de baterías alcalinas no recargables de forma similar , ya que tienen un voltaje de celda ligeramente inferior pero generalmente compatible y son menos propensas a tener fugas . ^{[7] [8]}

El trabajo sobre baterías de NiMH comenzó en el Centro de Investigación Battelle -Ginebra tras la invención de la tecnología en 1967. Se basaba en aleaciones sinterizadas _de Ti2Ni +TiNi+x y electrodos de NiOOH. El desarrollo fue patrocinado durante casi dos décadas por Daimler-Benz y por Volkswagen AG dentro de Deutsche Automobilgesellschaft, ahora una subsidiaria de Daimler AG . La energía específica de las baterías alcanzó 50 W·h/kg (180 kJ/kg), potencia específica hasta 1000 W/kg y una vida útil de 500 ciclos de carga (al 100% de profundidad de descarga ). Se presentaron solicitudes de patente en países europeos (prioridad: Suiza), Estados Unidos y Japón. Las patentes se transfirieron a Daimler-Benz. ^[9]

El interés por este método creció en los años 70 con la comercialización de la batería de níquel-hidrógeno para aplicaciones satelitales. La tecnología de hidruros prometía una forma alternativa y menos voluminosa de almacenar el hidrógeno. Las investigaciones llevadas a cabo por los laboratorios Philips y el CNRS de Francia desarrollaron nuevas aleaciones híbridas de alta energía que incorporaban metales de tierras raras para el electrodo negativo. Sin embargo, estas adolecían de inestabilidad de aleación en el electrolito alcalino y, en consecuencia, de una vida útil insuficiente. En 1987, Willems y Buschow demostraron una batería exitosa basada en este enfoque (utilizando una mezcla de La _0,8 Nd _0,2 Ni _2,5 Co _2,4 Si _0,1 ), que mantenía el 84% de su capacidad de carga después de 4000 ciclos de carga y descarga. Pronto se desarrollaron aleaciones más viables económicamente que utilizaban mischmetal en lugar de lantano . Las celdas de NiMH modernas se basaron en este diseño. ^[10] Las primeras celdas de NiMH de grado de consumo estuvieron disponibles comercialmente en 1989. ^[11]

En 1998, Stanford Ovshinsky de Ovonic Battery Co. , que había estado trabajando en baterías MH-NiOOH desde mediados de 1980, ^[12] mejoró la estructura y composición de la aleación Ti-Ni y patentó sus innovaciones. ^[13]

En 2008, se fabricaron más de dos millones de automóviles híbridos en todo el mundo con baterías de NiMH. ^[14]

En la Unión Europea, debido a su Directiva sobre baterías , las baterías de níquel-hidruro metálico reemplazaron a las baterías de Ni-Cd para uso portátil de consumo. ^[15]

En 2010, aproximadamente el 22% de las baterías recargables portátiles vendidas en Japón eran de NiMH. ^[16] En Suiza, en 2009, la estadística equivalente era de aproximadamente el 60%. ^[17] Este porcentaje ha disminuido con el tiempo debido al aumento en la fabricación de baterías de iones de litio : en 2000, casi la mitad de todas las baterías recargables portátiles vendidas en Japón eran de NiMH. ^[16]

En 2015, BASF produjo una microestructura modificada que ayudó a hacer que las baterías de NiMH fueran más duraderas, lo que a su vez permitió cambios en el diseño de la celda que ahorraron peso considerable y permitieron que la energía específica alcanzara los 140 vatios-hora por kilogramo. ^[18]

La reacción del electrodo negativo que ocurre en una celda NiMH es

H2O + M + e ⁻ ⇌ OH ₋ ⁺ MH

En el electrodo positivo se forma oxihidróxido de níquel, NiO(OH):

Ni(OH) ₂ + OH ⁻ ⇌ NiO(OH) + H ₂ O + e ⁻

Las reacciones se producen de izquierda a derecha durante la carga y al revés durante la descarga. El metal M en el electrodo negativo de una celda NiMH es un compuesto intermetálico . Se han desarrollado muchos compuestos diferentes para esta aplicación, pero los que se utilizan actualmente se dividen en dos clases. El más común es AB ₅ , donde A es una mezcla de tierras raras de lantano , cerio , neodimio , praseodimio y B es níquel , cobalto , manganeso o aluminio . Algunas celdas utilizan materiales de electrodo negativo de mayor capacidad basados ​​en compuestos AB ₂ , donde A es titanio o vanadio , y B es circonio o níquel, modificado con cromo , cobalto, hierro o manganeso . ^[19]

Las celdas de NiMH tienen un electrolito alcalino , generalmente hidróxido de potasio . El electrodo positivo es hidróxido de níquel y el electrodo negativo es hidrógeno en forma de hidruro metálico intersticial. ^{[20] Los no tejidos} de poliolefina hidrófila se utilizan para la separación. ^[21]

Al realizar una carga rápida, es aconsejable cargar las celdas NiMH con un cargador de batería inteligente para evitar la sobrecarga , que puede dañar las celdas. ^[22]

El método de carga más sencillo y seguro es el de una corriente baja fija, con o sin temporizador. La mayoría de los fabricantes afirman que la sobrecarga es segura con corrientes muy bajas, inferiores a 0,1  C ( C /10) (donde C es la corriente equivalente a la capacidad de la batería dividida por una hora). ^[23] El manual de carga de baterías NiMH de Panasonic advierte que la sobrecarga durante un tiempo prolongado puede dañar la batería y sugiere limitar el tiempo total de carga a 10-20 horas. ^[22]

Duracell sugiere además que se puede utilizar una carga lenta a C /300 para baterías que deben mantenerse en un estado de carga completa. ^[23] Algunos cargadores hacen esto después del ciclo de carga, para compensar la autodescarga natural. Energizer sugiere un enfoque similar, ^[20] que indica que la autocatálisis puede recombinar el gas formado en los electrodos para tasas de carga de hasta C/10. Esto conduce al calentamiento de la celda. La empresa recomienda C /30 o C /40 para aplicaciones indefinidas donde la vida útil prolongada es importante. Este es el enfoque adoptado en aplicaciones de iluminación de emergencia, donde el diseño sigue siendo esencialmente el mismo que en las unidades de NiCd más antiguas, excepto por un aumento en el valor de la resistencia de carga lenta. ^{[ cita requerida ]}

El manual de Panasonic recomienda que las baterías NiMH en modo de espera se carguen mediante un ciclo de trabajo más bajo , donde se utiliza un pulso de corriente más alta siempre que el voltaje de la batería cae por debajo de 1,3 V. Esto puede extender la vida útil de la batería y consumir menos energía. ^[22]

Para evitar daños en las celdas, los cargadores rápidos deben terminar su ciclo de carga antes de que se produzca una sobrecarga. Un método consiste en controlar el cambio de voltaje con el tiempo. Cuando la batería está completamente cargada, el voltaje en sus terminales cae ligeramente. El cargador puede detectarlo y detener la carga. Este método se utiliza a menudo con celdas de níquel-cadmio, que muestran una gran caída de voltaje a plena carga. Sin embargo, la caída de voltaje es mucho menos pronunciada para las baterías de NiMH y puede ser inexistente a tasas de carga bajas, lo que puede hacer que el método no sea confiable. ^[23]

Otra opción es monitorear el cambio de voltaje con respecto al tiempo y detenerse cuando este se vuelve cero, pero esto corre el riesgo de cortes prematuros. ^[23] Con este método, se puede utilizar una tasa de carga mucho más alta que con una carga lenta, hasta 1  C. A esta tasa de carga, Panasonic recomienda finalizar la carga cuando el voltaje cae 5-10 mV por celda desde el voltaje pico. ^[22] Dado que este método mide el voltaje a través de la batería, se utiliza un circuito de carga de corriente constante (en lugar de un voltaje constante).

El método de cambio de temperatura es similar en principio al método Δ V. Debido a que el voltaje de carga es casi constante, la carga de corriente constante proporciona energía a una tasa casi constante. Cuando la celda no está completamente cargada, la mayor parte de esta energía se convierte en energía química. Sin embargo, cuando la celda alcanza la carga completa, la mayor parte de la energía de carga se convierte en calor. Esto aumenta la tasa de cambio de temperatura de la batería, que puede detectarse mediante un sensor como un termistor . Tanto Panasonic como Duracell sugieren una tasa máxima de aumento de temperatura de 1 °C por minuto. El uso de un sensor de temperatura permite un corte de temperatura absoluto, que Duracell sugiere a 60 °C. ^[23] Con los métodos de carga Δ T y Δ V , ambos fabricantes recomiendan un período adicional de carga lenta para seguir a la carga rápida inicial. ^{[ cita requerida ]}

Un fusible rearmable en serie con la celda, especialmente del tipo de tira bimetálica , aumenta la seguridad. Este fusible se abre si la corriente o la temperatura son demasiado altas. ^[23]

Las celdas de NiMH modernas contienen catalizadores para manejar los gases producidos por la sobrecarga ( ). Sin embargo, esto solo funciona con corrientes de sobrecarga de hasta 0,1  C (es decir, la capacidad nominal dividida por diez horas). Esta reacción hace que las baterías se calienten, lo que pone fin al proceso de carga. ^[23]${\displaystyle {\ce {2H2{}+O2->[{\text{catalizador}}]2H2O}}}$

Un método de carga muy rápida llamado control de carga dentro de la celda implica un interruptor de presión interno en la celda, que desconecta la corriente de carga en caso de sobrepresión.

Un riesgo inherente a la química de las baterías de NiMH es que la sobrecarga provoca la formación de gas hidrógeno, lo que podría romper la celda. Por lo tanto, las celdas tienen un respiradero para liberar el gas en caso de una sobrecarga grave. ^[24]

Las baterías de NiMH están fabricadas con materiales respetuosos con el medio ambiente. ^[25] Las baterías contienen solo sustancias ligeramente tóxicas y son reciclables. ^[20]

Puede ocurrir una depresión de voltaje (a menudo atribuida erróneamente al efecto memoria ) debido a una descarga parcial repetida, pero es reversible con unos pocos ciclos completos de descarga/carga. ^[26]

Una celda completamente cargada suministra un promedio de 1,25 V/celda durante la descarga, que disminuye a aproximadamente 1,0–1,1 V/celda (una descarga adicional puede causar daño permanente en el caso de paquetes de múltiples celdas, debido a la inversión de polaridad de la celda más débil). Con una carga ligera (0,5 amperios), el voltaje inicial de una celda AA NiMH recién cargada en buenas condiciones es de aproximadamente 1,4 voltios. ^[27]

La descarga completa de paquetes de varias celdas puede provocar la inversión de la polaridad en una o más celdas, lo que puede dañarlas permanentemente. Esta situación puede ocurrir en la disposición común de cuatro celdas AA en serie, donde una celda se descarga completamente antes que las demás debido a pequeñas diferencias de capacidad entre las celdas. Cuando esto sucede, las celdas en buen estado comienzan a hacer que la celda descargada tenga la polaridad invertida (es decir, ánodo positivo y cátodo negativo). Algunas cámaras, receptores GPS y PDA detectan el voltaje seguro de fin de descarga de las celdas en serie y realizan un apagado automático, pero dispositivos como linternas y algunos juguetes no lo hacen.

Los daños irreversibles por inversión de polaridad son un peligro particular, incluso cuando se utiliza un corte por bajo umbral de voltaje, cuando la temperatura de las celdas varía. Esto se debe a que la capacidad disminuye significativamente a medida que las celdas se enfrían. Esto da como resultado un voltaje más bajo bajo carga de las celdas más frías. ^[28]

Históricamente, las celdas de NiMH han tenido una tasa de autodescarga algo más alta (equivalente a una fuga interna) que las celdas de NiCd. La tasa de autodescarga varía mucho con la temperatura, donde una temperatura de almacenamiento más baja conduce a una descarga más lenta y una mayor vida útil de la batería. La autodescarga es del 5 al 20 % el primer día y se estabiliza alrededor del 0,5 al 4 % por día a temperatura ambiente . ^{[29] [30] [31] [32] [33]} Pero a 45 °C (113 °F) es aproximadamente tres veces más alta. ^[23]

La batería de níquel-metal hidruro de baja autodescarga ( LSD NiMH ) tiene una tasa de autodescarga significativamente menor. La innovación fue introducida en 2005 por Sanyo , con la marca Eneloop . ^[34] Al utilizar mejoras en el separador de electrodos, el electrodo positivo y otros componentes, los fabricantes afirman que las celdas retienen el 70-85% de su capacidad cuando se almacenan durante un año a 20 °C (68 °F), en comparación con aproximadamente la mitad de las baterías NiMH normales. Por lo demás, son similares a las baterías NiMH estándar y se pueden cargar en cargadores NiMH estándar. Estas celdas se comercializan como recargables "híbridas", "listas para usar" o "precargadas". La retención de la carga depende en gran parte de la resistencia a las fugas de la batería (cuanto mayor, mejor) y de su tamaño físico y capacidad de carga.

Los separadores mantienen separados los dos electrodos para retardar la descarga eléctrica y al mismo tiempo permitir el transporte de portadores de carga iónica que cierran el circuito durante el paso de la corriente . ^[35] Los separadores de alta calidad son fundamentales para el rendimiento de la batería.

La tasa de autodescarga depende del espesor del separador; los separadores más gruesos reducen la autodescarga, pero también reducen la capacidad, ya que dejan menos espacio para los componentes activos, y los separadores delgados conducen a una mayor autodescarga. Algunas baterías pueden haber superado esta desventaja utilizando separadores delgados fabricados con mayor precisión y un separador de poliolefina sulfonada, una mejora con respecto a la poliolefina hidrófila basada en alcohol vinílico de etileno . ^[36]

Las celdas de baja autodescarga tienen una capacidad ligeramente inferior a la de las celdas de NiMH equivalentes debido al mayor volumen del separador. Las celdas AA de baja autodescarga de mayor capacidad tienen una capacidad de 2500 mAh, en comparación con los 2700 mAh de las celdas AA de NiMH de alta capacidad. ^[37]

Los métodos comunes para mejorar la autodescarga incluyen: uso de un separador sulfonado (que provoca la eliminación de compuestos que contienen N), uso de un separador de PP injertado con ácido acrílico (que provoca la reducción de la formación de residuos de Al y Mn en el separador), eliminación de Co y Mn en _{la aleación A2B7MH} (que provoca la reducción de la formación de residuos en el separador), aumento de la cantidad de electrolito (que provoca la reducción de la difusión de hidrógeno en el electrolito), eliminación de componentes que contienen Cu (que provoca la reducción de microcortocircuitos), revestimiento de PTFE en el electrodo positivo (que provoca la supresión de la reacción entre NiOOH y H2 ₎ , inmersión en solución CMC (que provoca la supresión de la evolución de oxígeno), microencapsulación de Cu en la aleación MH (que provoca la disminución del H2 _liberado de la aleación MH), revestimiento de aleación Ni–B en la aleación MH (que provoca la formación de una capa protectora), tratamiento alcalino del electrodo negativo (que provoca la reducción de la lixiviación de Mn y Al), adición de LiOH y NaOH al electrolito (lo que provoca una reducción de la capacidad de corrosión del electrolito) y la adición de Al2 ₍ SO4 ₎ 3 _al electrolito (lo que provoca una reducción de la corrosión de la aleación MH). La mayoría de estas mejoras no tienen ningún efecto o tienen un efecto insignificante en el costo; algunas aumentan el costo modestamente. ^[38]

Las celdas NiMH se utilizan a menudo en cámaras digitales y otros dispositivos de alto consumo, donde a lo largo de una sola carga superan a las baterías primarias (como las alcalinas).

Las pilas de NiMH son ventajosas para aplicaciones con alto consumo de corriente en comparación con las pilas alcalinas, en gran medida debido a su menor resistencia interna. Las pilas alcalinas típicas de tamaño AA, que ofrecen una capacidad de aproximadamente 2,6 Ah con una demanda de corriente baja (25 mA), proporcionan solo una capacidad de 1,3 Ah con una carga de 500 mA. ^[39] Las cámaras digitales con pantallas LCD y linternas pueden consumir más de 1 A, lo que las agota rápidamente. Las pilas de NiMH pueden proporcionar estos niveles de corriente sin una pérdida similar de capacidad. ^[20]

Los dispositivos que fueron diseñados para funcionar con pilas de química alcalina primaria (o zinc-carbono/cloruro) pueden no funcionar con pilas de NiMH. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos compensan la caída de voltaje de una pila alcalina a medida que se descarga hasta aproximadamente 1 voltio. La baja resistencia interna permite que las pilas de NiMH suministren un voltaje casi constante hasta que se descargan casi por completo. Por lo tanto, los indicadores de nivel de batería diseñados para leer pilas alcalinas exageran la carga restante cuando se utilizan con pilas de NiMH, ya que el voltaje de las pilas alcalinas disminuye de manera constante durante la mayor parte del ciclo de descarga.

Las baterías de iones de litio pueden ofrecer una potencia extremadamente alta y tienen una energía específica más alta que las baterías de níquel-hidruro metálico, ^[40] pero originalmente eran significativamente más caras. ^[41] El costo de las baterías de litio cayó drásticamente durante la década de 2010 y, como resultado, muchos dispositivos de consumo pequeños ahora tienen baterías de litio no reemplazables por el consumidor. Las baterías de litio producen un voltaje más alto (3,2–3,7 V nominales) y, por lo tanto, no son un reemplazo directo de las baterías AA (alcalinas o NiMh) sin circuitos para reducir el voltaje. Aunque una sola celda de litio generalmente proporcionará la energía ideal para reemplazar 3 celdas NiMH, el factor de forma significa que el dispositivo aún necesita modificaciones.

Las baterías de NiMH pueden fabricarse con facilidad en un tamaño más pequeño y ligero que las baterías de plomo-ácido, y las han sustituido por completo en dispositivos pequeños. Sin embargo, las baterías de plomo-ácido pueden suministrar una corriente enorme a bajo coste, lo que las hace más adecuadas para los motores de arranque de los vehículos de combustión.

En 2005 ^[actualizar], las baterías de níquel-hidruro metálico constituían el tres por ciento del mercado de baterías. ^[25]

Las baterías de NiMH han reemplazado a las de NiCd en muchas funciones, en particular en las baterías recargables pequeñas. Las baterías de NiMH se encuentran comúnmente disponibles en baterías AA ( del tamaño de una linterna ). Estas tienen capacidades de carga nominales ( C ) de 1,1 a 2,8 Ah a 1,2 V, medidas a la velocidad que descarga la celda en 5 horas. La capacidad de descarga útil es una función decreciente de la velocidad de descarga, pero hasta una velocidad de alrededor de 1× C (descarga completa en 1 hora), no difiere significativamente de la capacidad nominal. ^[26] Las baterías de NiMH funcionan nominalmente a 1,2 V por celda, algo más bajo que las celdas convencionales de 1,5 V, pero pueden operar muchos dispositivos diseñados para ese voltaje .

Las baterías de NiMH se usaban con frecuencia en vehículos eléctricos e híbridos-eléctricos de generaciones anteriores; a partir de 2020 han sido reemplazadas casi por completo por baterías de iones de litio en vehículos totalmente eléctricos e híbridos enchufables, pero siguen utilizándose en algunos vehículos híbridos (Toyota Highlander 2020, por ejemplo). ^[42] Los vehículos enchufables totalmente eléctricos anteriores incluían el General Motors EV1 , el Toyota RAV4 EV de primera generación , el Honda EV Plus , el Ford Ranger EV y el scooter Vectrix . Todos los vehículos híbridos de primera generación usaban baterías de NIMH, sobre todo el Toyota Prius y el Honda Insight , así como modelos posteriores como el Ford Escape Hybrid , el Chevrolet Malibu Hybrid y el Honda Civic Hybrid .

Stanford R. Ovshinsky inventó y patentó una mejora popular de la batería de NiMH y fundó Ovonic Battery Company en 1982. General Motors compró la patente de Ovonics en 1994. A fines de la década de 1990, las baterías de NiMH se usaban con éxito en muchos vehículos totalmente eléctricos, como el General Motors EV1 y la minivan Dodge Caravan EPIC .

Esta generación de coches eléctricos, aunque exitosa, fue retirada abruptamente del mercado. ^{[ cita requerida ]}

En octubre de 2000, la patente fue vendida a Texaco y una semana después Texaco fue adquirida por Chevron . La subsidiaria Cobasys de Chevron proporciona estas baterías solo a grandes pedidos de OEM. General Motors cerró la producción del EV1 , citando la falta de disponibilidad de baterías como un obstáculo principal. El control de Cobasys de las baterías de NiMH creó una carga de patente para las baterías de NiMH de automoción de gran tamaño. ^{[43] [44] [45] [46] [47]}

• "Batería bipolar de níquel e hidruro metálico" de Martin G. Klein, Michael Eskra, Robert Plivelich y Paula Ralston
• Manual y manual de aplicación de las baterías de níquel e hidruro metálico (NiMH) de Energizer
• Carga y seguridad de baterías NiMH