Las baterías eléctricas son dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica. Esto significa que en estos dispositivos la energía se almacena o se descarga mediante reacciones químicas. Las baterías siempre tienen una estructura muy similar, compuestas por celdas compuestas por dos electrodos, una sustancia electrolítica (también llamada electrolito, generalmente una solución líquida) y un separador, como se muestra en la Figura 1.
Lo que diferencia las distintas tecnologías de baterías son los materiales utilizados en los electrodos, las sustancias electrolíticas y los aspectos de su construcción. Las baterías más comunes son las de plomo-ácido (Pb), plomo-carbono, iones de litio (Li-ion), níquel-cadmio (NiCd), níquel-hidruro metálico (NiMH), níquel-cloruro de sodio (NaNiCl₂), sodio-azufre (NaS) y las baterías de flujo (que pueden utilizar diferentes elementos químicos). El tema de las baterías electroquímicas es bastante amplio y diverso.
El objetivo de este artículo es realizar una breve revisión de las baterías electroquímicas, con énfasis en las tecnologías actualmente más utilizadas o más prometedoras para su uso en sistemas fotovoltaicos y sistemas de almacenamiento de energía eléctrica en general.
Entre las tecnologías más utilizadas en los sistemas energéticos, destacan las baterías de plomo-ácido y de iones de litio. Las baterías de plomo-ácido son una tecnología antigua y su uso sigue siendo amplio, especialmente en... sistemas de energía fuera de la red.
As baterías de iones de litio Son actualmente las grandes estrellas del mercado del almacenamiento, con numerosas aplicaciones en sistemas energéticos y movilidad eléctrica. La necesidad de baterías más eficientes, duraderas, compactas, ligeras y económicas ha impulsado la búsqueda incesante de nuevos materiales y tecnologías de almacenamiento electroquímico.
Recientemente, el creciente interés en la movilidad eléctrica ha impulsado considerablemente la investigación en el área de electrolitos sólidos, que proporcionan a las baterías de litio mayor durabilidad, mayor densidad energética y mayor seguridad. Entre las tecnologías alternativas destacan las baterías de flujo y las baterías de sal líquida, aún poco conocidas, pero muy prometedoras para aplicaciones de almacenamiento a gran escala.
Características de la batería
Las baterías de diferentes tecnologías pueden presentar características muy diferentes. Si bien pueden tener una alta capacidad de almacenamiento y una alta densidad energética, su ciclo de vida puede ser corto. Por otro lado, pueden estar diseñadas para una alta durabilidad, pero pueden ser pesadas y voluminosas. También pueden tener una alta capacidad y una larga durabilidad, pero su costo puede ser prohibitivo para la mayoría de las aplicaciones.
Las baterías se pueden evaluar según la energía específica (Wh/kg), la densidad de energía (Wh/L), la capacidad de carga (Ah), la profundidad de descarga aceptable (DOD), la vida útil (relacionada con la cantidad de ciclos de carga y descarga que admite la batería), la capacidad de soportar altas temperaturas (que afectan la vida útil y la seguridad operativa), la potencia específica (W/kg) y Caja, que determina la velocidad a la que se pueden cargar o descargar las baterías.
Existen características determinantes según el tipo de aplicación. Para aplicaciones estacionarias en energías renovables y sistemas eléctricos, las principales características son generalmente el costo, el número de ciclos de trabajo, la eficiencia y la robustez, esta última asociada a la capacidad de soportar altas temperaturas, sobrecargas o descargas profundas.
Para las aplicaciones móviles, la energía específica (masa), la densidad energética (volumen) y la velocidad de carga y descarga son características importantes. No existe una batería ideal, pero sí la más adecuada para cada aplicación, considerando aspectos técnicos, económicos, logísticos e incluso sociales. Por ejemplo, las baterías de plomo-ácido son muy adecuadas para sistemas fotovoltaicos aislados de la red eléctrica que abastecen a poblaciones desfavorecidas en zonas remotas y de difícil acceso, casi siempre en regiones cálidas del planeta.
Las baterías de plomo-ácido soportan altas temperaturas de funcionamiento (hasta 60 °C), son económicas, soportan descargas profundas ocasionales, son fáciles de reciclar y robustas, por lo que no requieren mantenimiento especializado ni sistemas electrónicos complejos de monitorización y control. No ocurre lo mismo con las baterías de litio, muy solicitadas para los sistemas de almacenamiento modernos y los vehículos eléctricos, pero su instalación es muy compleja en lugares donde la asistencia técnica es difícil o, a menudo, inviable.
La Figura 2 ilustra la relación entre la energía específica (Wh/kg) y la densidad energética (Wh/L) de algunas tecnologías comunes de baterías. Se observa la desventaja de masa y volumen de las baterías de plomo-ácido en comparación con las de litio.
Esta desventaja, sin embargo, no considera otros factores que pueden hacer más atractivas las baterías de plomo-ácido, como se mencionó en el párrafo anterior. Por otro lado, si buscamos sistemas más compactos y ligeros, la tecnología de litio es inigualable, razón por la cual actualmente domina el mercado del almacenamiento de energía.
La Figura 3 ilustra la relación entre el tiempo de carga/descarga y la potencia de los sistemas en los que se pueden utilizar estas baterías, incluidas tecnologías maduras y ampliamente utilizadas (como plomo ácido y iones de litio) y tecnologías aún en desarrollo o poco conocidas (como baterías de flujo).
Al interpretar la Figura 3, se observa que las baterías de flujo y de sales líquidas solo son viables en grandes sistemas de almacenamiento, donde su complejidad técnica y su alto tiempo de respuesta no son factores limitantes. Las baterías de iones de litio tienen una velocidad de respuesta moderada y ocupan un lugar destacado, siendo adecuadas tanto para sistemas de almacenamiento pequeños como grandes.
Las baterías de plomo-ácido, por su reducido coste, su robustez y su satisfactoria velocidad de respuesta, siguen siendo las preferidas en muchos sistemas eléctricos pequeños, pudiendo llegar también a aplicaciones a gran escala, aunque son preferentemente sustituidas por baterías de litio u otras con capacidad de rendimiento. un mayor número de ciclos de operación.
Baterías de plomo ácido
Las baterías de plomo-ácido son las baterías recargables más antiguas del mercado. Aparecieron a principios del siglo XX y siguen siendo la opción preferida para muchas aplicaciones debido a su robustez y bajo costo. Sus principales desventajas son su baja densidad energética (son pesadas y voluminosas) y su corta vida útil, lo que significa que no pueden soportar un gran número de ciclos de carga y descarga.
También tienen la desventaja de una baja profundidad de descarga, que normalmente se limita al 80% en casos extremos o al 20% en funcionamiento normal, para una mayor longevidad. Una descarga excesiva degrada los electrodos de la batería, lo que reduce su capacidad para almacenar energía y limita su vida útil.
Las baterías de plomo-ácido requieren un mantenimiento constante de su estado de carga y deben almacenarse siempre en su estado máximo de carga mediante la técnica de flotación (manteniendo la carga con una pequeña corriente eléctrica, suficiente para anular el efecto de la autodescarga).
Estas baterías se encuentran en varias versiones. Las más comunes son las ventiladas, que utilizan electrolito líquido; las baterías de gel reguladas por válvula (VRLA); y las baterías con electrolito integrado en una malla de fibra de vidrio (conocidas como AGM, malla de fibra de vidrio absorbente); estas últimas ofrecen un rendimiento intermedio y un coste menor en comparación con las baterías de gel.
Las baterías reguladas por válvula están prácticamente selladas, lo que evita fugas y la desecación del electrolito. La válvula libera gases en caso de sobrecarga. Algunas baterías de plomo-ácido están diseñadas para aplicaciones industriales estacionarias y admiten ciclos de descarga más profundos. También existe una versión más moderna: la batería de plomo-carbono.
Los materiales de carbono añadidos a los electrodos proporcionan mayores corrientes de carga y descarga, mayor densidad energética y una mayor vida útil. Una ventaja de las baterías de plomo-ácido (en cualquiera de sus variantes) es que no requieren un sistema sofisticado de gestión de carga (como ocurre con las baterías de litio, que veremos más adelante).
Las baterías de plomo-ácido tienen una probabilidad mucho menor de incendiarse y explotar al sobrecargarse, ya que su electrolito no es inflamable como el de las baterías de iones de litio. Además, una ligera sobrecarga no es peligrosa para este tipo de baterías. Algunos controladores de carga incluso cuentan con una función de ecualización que sobrecarga ligeramente la batería o el banco de baterías, cargando todas las celdas por completo.
Durante el proceso de ecualización, las celdas que finalmente se cargan completamente antes que las demás verán ligeramente aumentado su voltaje, sin riesgo, mientras que la corriente fluye normalmente a través de la asociación en serie de elementos. De esta forma, podemos decir que las baterías de plomo tienen la capacidad de ecualizarse de forma natural y pequeños desequilibrios entre las celdas de una batería o entre las baterías de un banco no suponen un riesgo.
La Figura 4 ilustra versiones modernas de baterías de plomo-ácido, con la adición de carbono a los electrodos, entre otras características, que las hacen más duraderas y más adecuadas para su aplicación en sistemas de energía estacionarios.
La batería sellada, que se muestra a la izquierda (Figura 4), tiene la ventaja de no requerir mantenimiento y una vida útil de más de 1.000 ciclos en condiciones normales de temperatura y con una profundidad de descarga de aproximadamente el 20 % (el límite recomendado para este tipo de batería). La versión ventilada, que se muestra a la derecha, admite más de 6.000 ciclos de funcionamiento en las mismas condiciones, requiriendo una reposición periódica del nivel de electrolito.
Baterías de iones de litio
Actualmente, las baterías de mayor éxito comercial son las de iones de litio. Tras su adopción en dispositivos electrónicos portátiles, la tecnología de iones de litio ha llegado a aplicaciones industriales, sistemas de energía eléctrica y vehículos eléctricos. Las baterías de iones de litio superan a muchos otros tipos de baterías recargables en diversos aspectos, como la capacidad de almacenamiento de energía, el número de ciclos de funcionamiento, la velocidad de carga y la rentabilidad.
Actualmente, su único problema es la seguridad, que se ve comprometida por el electrolito inflamable, que puede encenderse a altas temperaturas, lo que requiere el uso de sistemas electrónicos de control y monitoreo. El litio es el metal más ligero y tiene el mayor potencial electroquímico, lo que proporciona la mayor densidad energética por volumen y masa en comparación con otras tecnologías de baterías conocidas, como se muestra en la Figura 2.
La tecnología de iones de litio ha permitido el avance en el uso de sistemas de almacenamiento de energía, principalmente asociados a fuentes renovables intermitentes (solar y eólica), y también es responsable de la popularización de vehículos electricosLas baterías de iones de litio aplicadas a sistemas de energía eléctrica y vehículos eléctricos son de tipo líquido.
Eficiencia energética en sistemas fotovoltaicos: avances con las baterías de litio
Estas baterías emplean la construcción tradicional de una batería electroquímica, con dos electrodos inmersos en una solución de electrolito líquido, como se muestra en la Figura 1. Se utiliza un separador (material aislante poroso) para distanciar mecánicamente los electrodos, permitiendo al mismo tiempo la libre circulación de iones a través del electrolito líquido.
La principal característica de la solución electrolítica es la capacidad de permitir la conducción de corriente iónica (formada por iones, que son átomos con exceso o falta de electrones), pero no permite el paso de electrones (como ocurre en los materiales conductores). El intercambio de iones entre los electrodos positivo y negativo es la base del funcionamiento de las baterías electroquímicas.
La investigación sobre baterías de litio se remonta a la década de 1970, y la tecnología maduró y comenzó a utilizarse comercialmente alrededor de la década de 1990. Las baterías de polímero de litio (con electrolito de polímero) se utilizan ahora en teléfonos celulares, computadoras y todo tipo de dispositivos móviles, habiendo reemplazado a las antiguas baterías de níquel-cadmio, cuyo principal problema era el "efecto memoria", que reducía gradualmente la capacidad de almacenamiento cuando se recargaban antes de descargarse por completo.
En comparación con sus rivales más antiguos de níquel-cadmio y, especialmente, de plomo-ácido, las baterías de iones de litio tienen una mayor densidad de energía (almacenan más energía por volumen), tienen un bajo coeficiente de autodescarga y admiten una mayor cantidad de cargas y descargas. ciclos, lo que se traduce en una vida útil prolongada.
A principios de la década de 2000, las baterías de iones de litio comenzaron a utilizarse en la industria automotriz. Alrededor de 2010, su uso en el almacenamiento de energía eléctrica despertó interés, tanto en aplicaciones residenciales como en grandes sistemas de almacenamiento de energía (ESS), en gran medida debido al creciente uso mundial de fuentes renovables intermitentes (solar y eólica).
Las baterías de iones de litio pueden tener diferentes rendimientos, vida útil y costos según su fabricación. Se han propuesto diversos materiales, especialmente para los electrodos. Normalmente, una batería de litio consta de un electrodo de metal de litio que forma el terminal positivo y un electrodo de carbono (grafito) que forma el terminal negativo.
El electrodo a base de litio puede presentarse en diferentes configuraciones, según la tecnología utilizada. A continuación se enumeran los materiales más utilizados en la fabricación de pilas de litio y las principales características de estas baterías:
- Óxido de litio y cobalto (LCO): Alta energía específica (Wh/kg), con buena capacidad de almacenamiento y satisfactoria vida útil (número de ciclos) para aplicaciones en equipos electrónicos, con la desventaja de baja potencia específica (W/kg), que reduce las velocidades de carga y descarga;
- Óxido de litio y manganeso (LMO): Permite elevadas corrientes de carga y descarga, con baja energía específica (Wh/kg), lo que se traduce en una reducida capacidad de almacenamiento;
- Litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC): Combina características de las baterías LCO y LMO. Además, la presencia de níquel en su composición contribuye a aumentar la energía específica, proporcionando una mayor capacidad de almacenamiento. El níquel, el manganeso y el cobalto pueden utilizarse en diferentes proporciones según el tipo de aplicación (para priorizar una u otra característica). En general, esta combinación da como resultado una batería con buen rendimiento, buena capacidad de almacenamiento, buena vida útil y un coste moderado. Este tipo de batería se ha utilizado ampliamente en vehículos eléctricos y también es adecuada para sistemas estacionarios de almacenamiento de energía.
- Litio, hierro y fosfato (LFP): La combinación de LFP proporciona a las baterías un buen rendimiento dinámico (velocidad de carga y descarga), una mayor vida útil y mayor seguridad gracias a su buena estabilidad térmica. La ausencia de níquel y cobalto en su composición reduce el coste y aumenta la disponibilidad de estas baterías para la producción en masa. Si bien su capacidad de almacenamiento no es la más alta, han sido adoptadas por fabricantes de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía debido a sus diversas ventajas, especialmente su bajo coste y su robustez.
- Litio-titanio (LTO): Esta denominación se refiere a baterías que incorporan titanio y litio en uno de los electrodos, en sustitución del carbono, mientras que el segundo electrodo es el mismo que el utilizado en otros tipos (como las NMC: litio, manganeso y cobalto). A pesar de su baja energía específica (que se traduce en una menor capacidad de almacenamiento), esta combinación ofrece un buen rendimiento dinámico, una buena seguridad y una vida útil significativamente mayor. Las baterías de este tipo pueden soportar más de 10.000 100 ciclos de funcionamiento con una profundidad de descarga del 2.000 %, mientras que otros tipos de baterías de litio admiten alrededor de XNUMX ciclos.
La investigación actual sobre baterías de iones de litio busca nuevos materiales y métodos de fabricación que puedan aumentar la vida útil, la densidad energética, la seguridad y la velocidad de carga, a la vez que reducen los costos de producción. Los avances recientes se han orientado hacia las baterías de litio de estado sólido, en las que el electrolito líquido se sustituye por un material sólido con la propiedad de conducir iones.
El electrolito sólido supone una gran apuesta para la industria del vehículo eléctrico en los próximos años, con la promesa de prácticamente duplicar la autonomía de los vehículos actuales. El sector de la energía eléctrica, en el que el uso de sistemas de almacenamiento se ha vuelto cada vez más intenso, también se beneficiará de esta nueva tecnología, con una reducción del tamaño y coste de los bancos de baterías.
Algunas ventajas del electrolito sólido son una mayor durabilidad de la batería, una reducción de masa y volumen y una mayor seguridad, ya que el electrolito sólido no es inflamable y no presenta riesgo de explosión, como ocurre en las baterías líquidas.
Todas las ventajas anteriores van acompañadas de unos costes de fabricación reducidos, ya que el electrolito sólido elimina el uso de separadores entre electrodos y elimina la necesidad de revestimientos selladores (para evitar fugas de líquido) y carcasas protectoras (para evitar pinchazos accidentales, preocupación necesaria en los vehículos eléctricos). ).
Las baterías de litio se comercializan en celdas, bloques y bancos. Las celdas son las unidades básicas, con capacidades de almacenamiento de entre 1 y 5 Ah, con una tensión de salida nominal de 3,7 V. Para su aplicación práctica, estas celdas deben organizarse en bloques o paquetes, como se muestra en la Figura 5, donde se conectan en serie. Los bloques, a su vez, pueden conectarse en paralelo para formar bancos de baterías.
Para aplicación en sistemas de energía, ya se encuentran en el mercado bancos de baterías inteligentes con uno o más paquetes de celdas de litio asociados e integrados a circuitos BMS (sistema de gestión de batería), producidos por empresas como Tesvolt, BYD y Dyness, marcas disponibles comercialmente en Brasil.
Baterías de flujo
Las baterías de flujo son una tecnología ligeramente diferente a otras baterías electroquímicas conocidas. En lugar de la estructura tradicional mostrada en la Figura 1, donde los electrodos se sumergen en una solución electrolítica, las baterías de flujo utilizan electrolitos almacenados en tanques. Para que las celdas funcionen, es necesario bombear los electrolitos para que entren en contacto con dos electrodos separados por una membrana.
Este tipo de batería es viable en grandes sistemas de almacenamiento y resulta muy ventajosa por su elevada longevidad (con más de 10.000 ciclos de carga y descarga). Su energía específica (Wh/kg) es similar a la de las baterías de plomo-ácido. Este hecho, asociado a su complejidad constructiva y baja velocidad de respuesta, hace poco probable su uso en sistemas móviles.
También conocidas como baterías redox (reducción y oxidación), esta familia puede tener diferentes composiciones químicas. Ya existen versiones comerciales de baterías de flujo, aunque todavía son objeto de investigación y no han llegado a ser tan conocidas como otras tecnologías ya bien establecidas en el mercado.
Baterías de sal líquida
Este tipo de batería utiliza electrodos compuestos de sal en estado líquido. Para que esto sea posible, es necesario mantener la sal caliente a altas temperaturas (alrededor de 350 °C) mediante un sistema de calentamiento interno. Esto no es muy práctico para aplicaciones móviles, pero para sistemas de energía estacionarios la tecnología es viable y prometedora.
Este tipo de batería resulta muy ventajosa por su alta longevidad, pudiendo almacenarse durante muchos años a temperatura ambiente, cuando sus electrodos adquieren un estado sólido. Cuando están en funcionamiento, manteniendo los electrodos en estado líquido, pueden lograr una gran cantidad de ciclos de carga y descarga.
Las variantes más conocidas son la batería de sodio-azufre (NaS) y la batería de níquel-cloruro (NiCl₂). Su energía específica (Wh/kg) es comparable a la de las baterías de iones de litio, con la ventaja de una larga vida útil que alcanza los 2 ciclos y una esperanza de vida de hasta 4.500 años.
Aunque no son tan conocidas y aún se clasifican como baterías alternativas, ya existen aplicaciones comerciales de esta tecnología en grandes sistemas de almacenamiento. Su buena longevidad, su energía específica satisfactoria y su bajo coste son características que han atraído la atención de este tipo de batería en diversas aplicaciones. BESS (sistemas de almacenamiento de energía en baterías) gran escala.
Baterías de níquel
La tecnología de níquel-cadmio (NiCd) se ha utilizado ampliamente durante mucho tiempo en equipos electrónicos portátiles. Conocida por su robustez, fue posteriormente sustituida por la tecnología de hidruro metálico de níquel (NiMH), que presenta características similares y la principal ventaja de no utilizar cadmio, un material tóxico que dificulta la eliminación de las baterías al final de su vida útil. vida útil, además de estar menos sujeta al efecto memoria, que reduce la capacidad de almacenamiento de las baterías.
La tecnología NiMH es bastante madura y tiene una larga vida útil, una alta capacidad de descarga y es económicamente viable para su uso en electrónica de consumo. Las baterías de NiMH se encuentran actualmente en el mercado en formato de baterías comunes y también en otros formatos para aplicaciones portátiles e industriales. Su uso en sistemas de almacenamiento y movilidad eléctrica está restringido, ya que sus características no superan las ventajas de las baterías de iones de litio.
Referencias
- Una revisión de las tecnologías de almacenamiento electroquímico para aplicaciones fotovoltaicas. Tatiane Silva Costa, Maria de Fátima Rosolem, Marcelo Gradella Villalva (en prensa)
- Tipos de iones de litio, Universidad de Baterías, Cadex Electronics
- Baterías en un mundo portátil, Cadex Electronics
- Descripción general de los sistemas de baterías de litio recargables. Peter Kurzweil, Klaus Brandt. En: Fuentes de energía electroquímica: fundamentos, sistemas y aplicaciones, Elsevier, 2019
- Manual de baterías. David Linden, Thomas B. Reddy. McGraw Hill.
- Opciones de tecnología de almacenamiento de energía eléctrica: Libro blanco con introducción a aplicaciones, costos y beneficios. Instituto de Investigación de Energía Eléctrica.
- Manual de almacenamiento de electricidad, Laboratorios Nacionales Sandia, SAND2013-5131
Respuestas de 4
Hola marcelo villalva
En primer lugar, soy un GRAN admirador de su publicación "Almacenamiento de energía: tecnologías de baterías eléctricas"
y baterías de zinc-cromo
¡Felicitaciones por el artículo! Uno de los únicos con esta riqueza de detalles.
Dr Marcelo, muchas felicidades por el artículo. Fue muy útil y bastante accesible para la mayoría de las personas (creo).
No encontré el término LiPo (polímeros de litio), pero creo que encaja en una de las categorías que mencionaste.
He estado usando esta tecnología durante unos 20 años. Fui uno de los primeros en usarlo en Portugal.
La aplicación es en barcos teledirigidos (esencialmente, pero también en drones), y siempre busco algo que me dé el mayor c-rate posible, sobre todo para la descarga, ya que estos juguetes son muy exigentes en este requerimiento tan particular. Normalmente lo uso, hoy en día, con 75C (que creo que son reales), pero ya lo he encontrado con 100C.
Otro aspecto que me dejó muy satisfecho fue su portugués. Creo que nunca había leído un artículo en portugués, escrito por un brasileño, tan bien escrito. Muchas felicidades también por eso.
Saludos,
Paulo Capelo