BU-104: Conociendo la Batería

BU-104: Getting to Know the Battery (English)

Conozca la Fortaleza de la batería y aprenda a vivir con sus debilidades.

La naturaleza ofrece diversas maneras de producir potencia. La mayoría resulta de la combustion, el movimiento mecánido  y la fotosíntesis, como en las células solares. La generación de energía eléctrica de la batería proviene de una reacción electroquímica entre dos metales de diferentes afinidades. Cuando se exponen a ácidos, se desarrolla un voltaje entre los metals como parte de la transferencia de iones, y al cerrar el circuito aparece una corriente. En 1800, el inventor Alessandro Volta descubrió que el voltaje potencial se hacía más fuerte cuanto más se alejaban los números de afinidad.

La más simple manifestación de una batería es un limón. Al colocar un clavo recubierto de zinc y una moneda de cobre dentro de un limón se crea un voltaje, pero esta “casi” batería no entrega mucha potencia. El Sistema de entrega de corriente es débil y cualquier carga eléctrica hace que el voltaje colapse. La energía no proviene del limón por si mismo sino del cambio químico al dissolver el zinc con el ácido del limón o sea su jugo. La Figura 1 ilustra la batería de limón.

Lemon Battery
Figura 1: Batería de limón
Este experimento se usa a menudo para propósitos educativos. Los electrodos son zinc (en la forma de un clavo galvanizado) y cobre en la forma de una moneda. El jugo de limón actúa como electrolito para inducir la reacción química.

Potencial estándar del zinc         =  –0.76
Potencial estándar del cobre       =    0.34
Potencial de la celda con medio conductor  =  1.10V


Los elementos con el mayor potencial negativo de electrodo sirven como cátodos; aquellos con el mayor potencial positivo se usan como ánodos. La diferencia entre los electrodos produce el voltaje en terminales. Para que una batería recargable resulte práctica, las reacciones químicas entre los elementos deben ser reversibles. Para complicar la cuestión, las reacciones químicas entre los componentes no pueden consumir químicos activos, y esto limita el conjunto de posibles electrodos.

Multiplicando el voltaje por la corriente se obtiene la potencia. La potencia se mide en watt en honor a James Watt, quien en el siglo XVIII desarrolló la máquina de vapor.  La cantidad de energía que una batería puede guardar se expresa en watt-hora (Wh).

Toda fuente de energía tiene limitaciones, y la potencia debe ser utilizada cuidadosamente para no causar una sobrecarga. Una analogía es un ciclista (Figura 2) quien elige la mejor combinación de engranajes para transformar potencia en propulsión. Sobre una ruta plana, una alta relación de engrane provee alta velocidad con un moderado torque en el pedal, eso simula un alto voltaje. Al subir una colina, el torque en el pedal se incrementa mientras que la velocidad decrece. Esto en nuestra analogía representa un bajo voltaje con alta corriente. La fuerza que ejerce el ciclista sobre el pedal se relaciona con torque en Newton metro (Nm); el esfuerzo antes de terminar exhausto define la energía en watt-hora (Wh).

Bicycle
Figura 2: Analogía de un ciclista.
La enegría es el producto de potencia y tiempo, se mide en watt-horas (Wh); la potencia es el flujo de energía en un instante, y se mide en watts (W).

Una batería se dimensiona en base a los Ampere-horas (Ah). Esto especifica cuánta carga puede contener una unidad. Al igual que un fluido en un recipiente, la energía puede tomarse lentamente durante un largo período de tiempo, o rápidamente en un corto lapso. La cantidad de líquido que un recipiente contiene es análoga a la energía en una batería; qué tan rápidamente se dispensa el líquido es análogo a la potencia.

Las dimensiones físicas se especifican por volumen en litros (l) y peso en kilogramos (kg). Combinando dimensión y peso se tiene la energía específica  medida en Wh/kg, o la densidad de potencia en W/l  y la potencia se específica en W/kg. La mayoría de las baterías se dimensionan en Wh/kg, revelando cuánta energía puede generar un peso dado. Los Wh/l denotan watt-hours por litro, relacionando cuánta energía puede generar un volumen dado. (Ver BU-105: Battery Definition.)

Las baterías se preparan específicamente para un uso, y los fabricantes se ajustan bien a las necesidades de los clientes. Los mercados de teléfonos móviles y vehículos eléctricos son ejemplo de adaptaciones inteligentes en extremos opuestos de aplicación. Mientras las baterías para productos de consumo enfatizan el tamaño reducido, la alta energía específica y bajo costo, las baterías industriales se enfocan en lograr un desempeño confiable y larga vida útil. La seguridad en todas las aplicaciones es de la mayor importancia.

Traducción de Ariel Robaldo

Actualizado por última vez 2017-08-17


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