1

Estudio de la descarga de bateras recargables tipo NiMH

Beltrn Llopis, Pere; Ferrer Remolar, Mara; Gimnez Delcampo, Pablo; Martnez Ortiz, Miguel

IES Llombai. Burriana. Castelln

RESUMEN

En este trabajo se presentan las caractersticas de las bateras NiMH y se comprueba cmo es su comportamiento frente a la descarga.

Palabras clave: Batera NiMH, descarga, rendimiento, resistencia elctrica

ABSTRACT

The characteristics of the NiMH batteries are presented in this work and checked how their behavior in the discharge is.

Key words: NiMH battery, discharge, performance, electrical resistance

INTRODUCCIN El nmero de aparatos electrnicos porttiles ha crecido exponencialmente en los ltimos aos. Es normal que los equipos demanden un aporte de energa mayor, ms continuo y durante ms tiempo. Queremos estudiar cmo se comportan las bateras NiMH durante el proceso de descarga.

ANTECEDENTES La verdadera ventaja de las bateras de NiMH es su ciclo de vida. Las bateras NiMH tpicas se pueden recargar cientos de veces, permitindolas ser, potencialmente, equivalentes a cientos de pilas alcalinas durante todo su ciclo de vida.

Algunas de las ventajas de las bateras NiMH son:

Densidad de energa muy alta, que se ve reflejada en largos periodos de uso entre recargas o reduccin del espacio necesario para el alojamiento de las bateras.

Eliminacin de las restricciones en cuanto a manufactura, uso y eliminacin en lo que concierne al uso del cadmio.

Incorporacin muy fcil a los aparatos electrnicos que actualmente usan bateras de NiCd debido a la similitud de los dos tipos de bateras.

Capacidad de uso a temperaturas inferiores que otros tipos de bateras primarias.

La batera NiMH est encontrando una amplia aplicacin en los productos electrnicos porttiles de gama alta, donde los parmetros de rendimiento de la batera, el tiempo de ejecucin, en particular, son una consideracin importante en la decisin de compra.

Las bateras NiMH son esencialmente una extensin de la tecnologa de las probadas bateras de nquel-cadmio con la sustitucin de un electrodo negativo a base de cadmio por el electrodo de absorcin de hidrgeno. Mientras que esta sustitucin aumenta la capacidad elctrica de la batera (medido en amperios-hora) para un peso y volumen dado y elimina el cadmio lo que reduce los problemas de toxicidad, el resto de la batera de nquel-hidruro de metal es bastante similar al producto de nquel-cadmio. Muchos parmetros de aplicacin han cambiado poco entre los dos tipos de

2

bateras. (Tabla 1) compara las principales caractersticas de diseo entre los qumicos de la batera.

Tabla 1. Resumen comparativo de bateras AA y AAA de NiMH, litio y alcalinas Caractersticas

tpicas de aplicacin

NiMH frente a Litio NiMH frete a alcalinas

Voltaje nominal 1.25 V vs. 1.5 V 1.25 V vs. 1.5 V Capacidad de

descarga NiMH no dura tanto (ciclo

nico) NiMH dura ms en dispositivos

de alto consumo

Capacidad de recarga Varios cientos de ciclos para NiMH, no se aplica para litio

Varios cientos de ciclos para NiMH, no se aplica para

alcalinas Perfil de descarga

de voltaje Ambos relativamente planos NiMH es plano frente a alcalinas

Tasa de autodescarga NiMH retiene 50-80% 6 meses Litio retiene 80% 15 aos NiMH retiene 50-80% 6 meses Alcalinas retienen 80% 7 aos

Rendimiento a baja temperatura Litio mejor que NiMH NiMH mejor que alcalinas

Peso de la s bateras Litio ms ligera Alcalina ms ligera Cuestiones

medioambientales Se pueden reciclar ambas Se pueden reciclar NiMH y

algunas alcalinas

Descripcin de la batera La qumica de la batera de NiMH es una mezcla de la demostrada qumica del electrodo positivo de nquel usada en las bateras de Ni-Cd y de las capacidades de almacenamiento de energa de las aleaciones metlicas debidas a las capacidades de almacenamiento de hidrgeno de stas.

Sello

Bornepositivo

Placanegativa

Separador

Placa denquel

Contactopositivo

Mecanismo deventilacin

Etiqueta

Extremopositivo

Extremonegativo

Figura 1. Batera NiMH tpica

3

Electroqumica La electroqumica de la batera NiMH se representa por las siguientes reacciones de carga y descarga.

Carga En el electrodo negativo, en presencia de la aleacin y con un potencial elctrico aplicado, el agua en el electrolito se descompone en iones hidrxido y tomos de hidrgeno, que son absorbidos por la aleacin, tal como se indica a continuacin.

LaNi5 + H2O + e- LaNi5(H) + OH-

En el electrodo positivo, la reaccin de carga se basa en la oxidacin del hidrxido de nquel (II), tal como lo hace en el caso de las bateras de NiCd.

Ni(OH)2 + OH- NiOOH + H2O + e-

Descarga En el electrodo negativo, el hidrgeno es desorbido y se combina con el in hidrxido para formar agua, a la vez que contribuye con un electrn al circuito.

LaNi5(H) + OH- LaNi5 + H2O + e-

En el electrodo positivo, se reduce el oxihidrxido de nquel (III) a hidrxido de nquel (II).

NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH-

Electrodo negativo El concepto bsico de la batera NiMH parte de la investigacin sobre almacenamiento de hidrgeno para uso como fuente de energa en la dcada de los 70 del siglo XX. Se observ que ciertas aleaciones metlicas formaban hidruros que podan capturar y liberar un volumen de hidrgeno casi miles de veces superior a su propio volumen. Con una cuidadosa eleccin de los constituyentes de la aleacin y sus proporciones se poda conseguir que el proceso de absorcin y liberacin tuviera lugar a temperatura ambiente. En la figura 2 se muestra la estructura atmica de una aleacin tpica, donde los mucho ms pequeos tomos de hidrgeno se muestran absorbidos en los intersticios de una aleacin. El electrodo de hidruro metlico tiene una capacidad terica superior al 40% respecto del electrodo de cadmio en un par Ni-Cd. Como resultado, las bateras de NiMH proporcionan densidades de energa que son ms de un 20% superiores a las equivalentes de Ni-Cd.

Electrodo positivo

El diseo del electrodo positivo se basa en la experiencia con los electrodos de las bateras de Ni-Cd. Estos electrodos son econmicos y robustos y tienen alto rendimiento, largos ciclos de vida til y buena capacidad de carga.

El balance entre el electrodo positivo y el negativo se ajusta de tal manera que la batera siempre tenga un lmite positivo como se ilustra en la figura 3. Esto significa que el electrodo negativo posee una capacidad de carga mayor que el positivo. El electrodo positivo se cargara completamente antes que el negativo. Entonces generar oxgeno que se difunde al electrodo negativo, donde se recombina. El ciclo de recombinacin de oxgeno es un modo eficiente de manejar sobrecargas de corriente de pequeas a moderadas.

4

Figura 2. Estructura de la aleacin LaNi5

Celda completamentedescargada

Celda completamentecargada

Celda ensobrecarga

Electrodopositivo

Electrodonegativo

Electrodopositivo

Electrodonegativo

Electrodopositivo

Electrodonegativo

Carga residual

Material Positivodescargado

O2

Material negativodescargado

Material negativocargado

Material positivototalmente cargado

Figura 3. Ciclo de carga y descarga

Electrolito El electrolito usado en las bateras NiMH es una disolucin bsica con un 30 a 40% de hidrxido alcalino junto con otros componentes minoritarios utilizados para mejorar el rendimiento.

Separador El material bsico para el separador es una poliolefina no trenzada, que proporciona aislamiento elctrico entre los electrodos pero permitiendo una difusin inica eficiente.

5

Construccin de la batera El par de nquel-hidruro de metal se presta a la construccin enrollada representada en la figura 1, que es similar a la utilizada en bateras cilndricas de nquel-cadmio, de iones de litio y en bateras primarias de litio. Los componentes bsicos consisten en los electrodos positivo y negativo aislados por separadores. Los electrodos intercalados se enrollan juntos y se insertan en un cilindro metlico que se sella despus de la inyeccin de electrolito.

Las bateras NiMH normalmente son diseos sellados con estuches metlicos y bornes que estn aislados elctricamente entre s. El estuche sirve como borne negativo, mientras que la protuberancia superior es el borne positivo.

Descarga de la batera El comportamiento en la descarga de las bateras NiMH se ajusta muy bien a las necesidades de los productos electrnicos de hoy en da, especialmente aquellos que requieren un voltaje estable durante largos periodos de funcionamiento o una gran velocidad de descarga.

Definiciones de capacidad de almacenamiento El principal parmetro de inters es normalmente el tiempo que puede estar en servicio una batera con un perfil de uso determinado. Si bien el establecimiento de tiempos de ejecucin reales en el producto es de vital importancia antes de la adopcin final de un diseo; la deteccin de la batera y el diseo inicial se llevan a cabo a menudo utilizando capacidades nominales. Los diseadores deben comprender a fondo las condiciones en las que se establece una clasificacin de las bateras y el impacto que causan sobre las diferencias en las condiciones de calificacin en el rendimiento proyectado. La capacidad de la batera estndar, a menudo abreviada como C, es la capacidad obtenida de una batera nueva, sometida a una descarga de corriente constante a temperatura ambiente despus de ser cargada de manera ptima. Puesto que la capacidad de la batera vara inversamente con la tasa de descarga, las calificaciones de capacidad dependen de la velocidad de descarga que se utilice. Para las bateras de nquel-hidruro metlico, la capacidad nominal se determina normalmente a una velocidad de descarga que agota totalmente la batera en cinco horas. Se les permite hasta cinco ciclos para llegar a su mxima capacidad. Muchos parmetros de carga y descarga estn normalizados por la capacidad C ya que el rendimiento de la batera en una familia de bateras con tamaos y capacidades diferentes es idntico cuando lo comparamos sobre base de una capacidad C.

Resistencia interna La bateras NiMH tienen normalmente una resistencia interna (IR) pequea debido a la construccin, contactos mejorados y la gran superficie de los electrodos. La baja resistencia interna le permite a las bateras NiMH tener un excelente rendimiento. Normalmente la resistencia interna de las bateras NiMH nuevas y completamente cargadas es menor de 50 m. Durante la descarga, la resistencia interna de la batera permanecer relativamente constante hasta el final de la carga que aumentar bruscamente.

Con el uso y la edad la resistencia interna aumentar. Y ser visto como un voltaje de operacin ms bajo y tambin voltaje ms alto durante la carga.

Voltaje durante la descarga La variacin del voltaje durante la descarga, junto con los efectos transitorios, se ve afectado por las condiciones ambientales, notablemente la temperatura y la velocidad

6

de descarga. Sin embargo, bajo muchas condiciones la curva de voltaje sigue mostrando la parte plana deseable para aplicaciones electrnicas.

Forma de la curva de descarga

Figura 4

En la figura 4 se muestra una curva de descarga tpica, con una velocidad de descarga de 0.2 C (descarga total en 5 horas). La cada inicial de voltaje en circuito abierto desde 1.4 V hasta el plateau de 1.2 V ocurre rpidamente. De manera similar a lo que ocurre con las bateras AA primarias de litio, la batera NiMH muestra un hombro muy acusado al final de la descarga, donde el voltaje cae rpidamente. Como se puede ver por lo plano y la simetra de la curva, el voltaje a mitad de la descarga (MPV, el voltaje de la batera cuando se ha descargado la mitad de su capacidad) proporciona una aproximacin til del voltaje medio a lo largo de la descarga.

Efectos medioambientales

Figura 5

Las principales influencias ambientales sobre la forma y localizacin de la curva de descarga son la temperatura a la que se produce y la velocidad de descarga. Como puede verse en la figura 5, pequeas variaciones de la temperatura ambiente (10 C)

7

no tienen un efecto apreciable sobre el perfil de descarga de la batera. Sin embargo, variaciones mayores, especialmente hacia bajas temperaturas, reducir el voltaje medio, pero manteniendo la forma del perfil de descarga.

Figura 6

El efecto de la velocidad de descarga sobre el perfil del voltaje se muestra en la figura 6. No hay un efecto significativo en la forma del perfil para velocidades de descarga por debajo de 1 C; para velocidades de descarga mayores de 1 C, tanto el estado transitorio del principio como el del fin consumen una gran parte de la duracin de la descarga.

Comportamiento de la capacidad durante la descarga Como con la curva del voltaje, la capacidad disponible durante la descarga se ve afectada dramticamente por la temperatura de la batera y por la velocidad de descarga. Tambin est fuertemente influenciada por la historia de la batera, es decir los ciclos de carga/descarga a los que ha sido sometida. Una batera slo puede descargar la cantidad que en la carga previa se ha introducido menos las prdidas debidas a autodescargas.

Efecto de la temperatura Los efectos primarios de la temperatura de la batera sobre la capacidad de descarga, asumiendo que la batera se haya cargado correctamente, aparecen a bajas temperaturas (< 0 C) se muestran en la figura. El uso de bateras NiMH en ambientes fros puede forzar una significativa reduccin de la capacidad de carga, comparada con los valores obtenidos a temperatura ambiente.

La figura 7 muestra la influencia de la velocidad de descarga sobre la capacidad de carga total disponible. No hay un efecto significativo para velocidades de descarga inferiores a 1 C. A velocidades superiores a 1 C e inferiores a 4 C, tiene lugar reducciones significativas del voltaje entregado. Esta reduccin de voltaje puede dar tambin como resultado una reduccin de la capacidad de carga, dependiendo de la eleccin del voltaje al que se termina la descarga.

8

Figura 7

Medida del estado de carga Una cuestin muy importante para los usuarios de aparatos electrnicos porttiles es el tiempo de vida til de batera que queda antes de que sea necesario volver a cargarla. Los usuarios quieren alguna forma de indicador de nivel de combustible que les ayude a determinar cundo necesitan cargar de nuevo la batera. Se ha sugerido un gran nmero de esquemas para medir el estado de carga. Debido a la planaridad de la curva de descarga y a la dependencia del voltaje de los ciclos y parmetros de tiempo, no se puede utilizar la medida de voltaje como un sensor adecuado en la determinacin del nivel de carga.

Hasta la fecha, la nica forma de medir el estado de carga y que d resultados consistentemente razonables es la culombimetra, la comparacin de flujos elctricos durante la carga y descarga compensando la autodescarga para indicar la capacidad restante en la batera.

Efecto memoria Esto ya no es una preocupacin. Este tema fue importante en los aparatos que usaban bateras de Ni-Cd. En algunas aplicaciones donde las bateras de nquel se descargan parcialmente de manera rutinaria, se ha publicado que aparece una disminucin en el perfil de descarga de aproximadamente 150 mV por batera, cuando se extiende de la zona rutinariamente descargada a zonas que raramente se descargan. Mientras que la gravedad de este problema en las bateras de Ni-Cd est abierta a distintas interpretaciones, se est de acuerdo en la fuente del efecto y que es la estructura del electrodo de cadmio. Con la eliminacin del cadmio en la batera de NiMH, este problema ha desaparecido.

Final de la descarga Para evitar la posibilidad de dao irreversible a la batera causada por la inversin de la misma en la descarga, se recomienda encarecidamente que se retire la carga antes de que tenga lugar la descarga total de la batera. El perfil tpico de descarga de una batera que se lleva hasta la descarga total aparece en la figura 8 e implica un doble plateau. Los plateaus de voltaje son causados, primero por la descarga del electrodo positivo y despus por la descarga de la carga residual que hay en el electrodo negativo. En el punto donde ambos electrodos se invierten, tiene lugar una emisin sustancial de hidrgeno, que puede dar como resultado el agujereado de la batera, al igual que un dao irreversible.

9

Figura 8

Dnde cortar la descarga con elevadas velocidades de descarga Normalmente el corte de la descarga se hace cuando la cada por batera es de 0.9 V (el 75 % del voltaje nominal del punto medio 1.2 V). ste es un excelente valor cuando las descargas son de una duracin media a larga (Velocidades de descarga

10

Resistencia de 47 Ohm Resistencia de 68 Ohm Resistencia de 120 Ohm Resistencia de 330 Ohm Resistencia de 470 Ohm Resistencia de 1000 Ohm Resistencia de 1200 Ohm Resistencia de 2200 Ohm Sensor de voltaje-intensidad PS-2115 Programa DataStudio de PASCO instalado en un ordenador de la dotacin del

laboratorio.

Para empezar hemos descargado las bateras de 9V de 200 mAh, a travs de diversas resistencias, utilizando el sensor voltaje-intensidad PS-2115 para registrarlos en el ordenador, con el programa DataStudio de PASCO.

Una vez exportados calculamos la intensidad que ha circulado por la resistencia, a continuacin elaboramos una grfica voltaje-tiempo. Calculamos el rea que queda por debajo de la funcin de la grfica. Abrimos una nueva hoja de clculo en la que introducimos los datos de tiempo y voltaje para transformarlos a forma logartmica. Con los datos transformados elaboramos una nueva grfica. A partir de esa grfica hemos seleccionado el tramo recto horizontal y vertical de la funcin y lo hemos representado en dos grficas separadas para encontrar el punto en el cual se cortan, haciendo un sistema.

Despus de esto hemos elaborado dos grficas ms con el valor de las intensidades y el del rea calculada anteriormente, y por otra parte en la segunda grfica hemos opuesto el valor de las intensidades por segunda vez al valor de la x hallada en los sistemas.

RESULTADOS Y DISCUSIN Nuestra hiptesis de partida era que cuanto ms rpido se descarga una batera, menos energa se obtiene de esa batera. En el grfico 1 aparece la variacin del potencial al descargarse la batera a travs de la serie de resistencias. Para saber la energa liberada por la batera en cada caso. Calculamos la intensidad que ha recorrido la resistencia utilizando la ley de Ohm: V = IR y as obtenemos los datos que se representan en el grfico 2, intensidad frente a tiempo. En un principio puede parecer que el rea debajo de cada curva en el grfico 2 es la misma, Pero es necesario un examen ms riguroso para determinar la cantidad exacta de energa disipada por cada resistencia.

Figura 9. Ejemplo de integracin por rectngulos. Clculo del rea del rectngulo

El mtodo que hemos usado para hacer este clculo es una integracin por rectngulos, ya que todas las curvas tienen muchos puntos y no ser necesario ajustar las curvas a una ecuacin. Para cada punto, se obtuvo la media con el punto anterior y se multiplic por la diferencia de tiempo entre los dos (figura 9). Posteriormente se

11

sumaron las reas de todos los rectngulos, dando una idea bastante buena del rea debajo de la curva. La integracin se ha llevado a cabo entre el valor inicial y un tiempo para el que el voltaje era el 75% del voltaje inicial, voltaje al que se considera que la pila est descargada.

0 50000 100000 150000 200000 250000 3000000

2

4

6

8

10

12

Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

33Ohm 47Ohm 68Ohm 120Ohm 330Ohm 470Ohm 1000Ohm 1200Ohm 2200Ohm

Grfico 1. Voltaje frente a tiempo de las distintas resistencias ensayadas

0 50000 100000 150000 200000 250000 3000000.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

Inte

nsid

ad (A

)

Tiempo (s)

33Ohm 47Ohm 68Ohm 120Ohm 330Ohm 470Ohm 1000Ohm 1200Ohm 2200Ohm

Grfico 2. Intensidad que circula por las resistencias frente a tiempo

12

33W 47W 68W 120W 330W 470W 1000W 1200W 2200W

1 10 100 1000 10000 1000000

2

4

6

8

10

12

Vol

taje

Tiempo (s)

Grfico 3. Voltaje frente a tiempo de las distintas resistencias ensayadas. El eje de las abscisas est en escala logartmica

Una vez calculamos la capacidad de la batera, podemos llevar a cabo el clculo de la energa almacenada, usando la ecuacin:

Energa (Wh) = Voltaje de la batera (V) Capacidad (Ah)

Tambin podemos calcular la intensidad que ha circulado durante ese tiempo por la batera usando la ecuacin:

Intensidad (A) = Capacidad (Ah) / Tiempo (h)

Estos datos aparecen en la tabla 2. Tabla 2. Valores de capacidad, energa suministrada e intensidad que ha circulado para cada resistencia

Resistencia ()

Volt. inicial (V)

Volt. al 75% (V)

Tiempo (s)

Capacidad (Ah)

Energa (Wh)

Energa (J)

Intensidad (A)

33 9.18 6.88 3320 0.219 2.007 7225.3 0.237 47 9.52 7.14 4779 0.231 2.199 7916.5 0.250 68 9.74 7.30 7005 0.237 2.309 8311.7 0.257 120 10.07 7.55 12450 0.249 2.507 9025.7 0.270 330 9.98 7.48 34808 0.256 2.554 9193.9 0.277 470 10.25 7.69 53686 0.279 2.857 10283.5 0.302 1000 10.28 7.71 116703 0.286 2.944 10599.2 0.311 1200 10.14 7.60 140033 0.285 2.887 10393.5 0.309 2200 10.23 7.67 245898 0.275 2.816 10137.9 0.298

Podemos estimar si hay alguna dependencia entre el valor de la resistencia y la energa suministrada, representando estos dos valores en forma de grfica.

13

Grfico 4. Variacin de la energa suministrada en funcin de la resistencia

CONCLUSIONES Con estos datos nuestra hiptesis se ve confirmada: Cuanto ms lenta es la descarga, resistencia mayor, mayor es la energa suministrada.

Estos datos tienen implicaciones interesantes. En el diseo de dispositivos electrnicos que tienen bateras, puede ser beneficioso incluir ms de una batera, ya que una carga repartida entre cada batera significa que habr ms energa disponible por batera, y por lo tanto menos / mAh.

y = 15.52ln(x) + 171.18R = 0.8924

0

50

100

150

200

250

300

350

0 500 1000 1500 2000 2500

Capa

cida

d (m

Ah)

Resistencia (W)