En el tutorial anterior, analizamos diferentes tipos de baterías. Además de la reutilización y la química de la batería, la forma en que está empaquetada es un factor importante, ya que debe acomodarse en un dispositivo sin comprometer los estándares de seguridad. La geometría y el tamaño de una batería también juegan un papel vital en su aplicación a un circuito.
Las baterías se utilizan desde el siglo XVIII y ahora están disponibles en muchas formas y tamaños. La primera forma de batería fue el diseño de jarra. En 1896, se introdujeron las pilas F grandes, seguidas por las pilas D en 1898. Las pilas C fueron las primeras baterías de tamaño pequeño introducidas en 1900, seguidas por las todavía populares pilas AA introducidas en 1907. Actualmente, las baterías se presentan principalmente en las siguientes formas:
- Células cilíndricas
- Pilas de botón
- Células prismáticas
- Celdas de bolsa
La estandarización del tamaño de las baterías comenzó después de la introducción de las celdas cilíndricas. En 1906, se formó una organización de normalización no gubernamental, la Comisión Electroquímica Internacional (IEC), para desarrollar normas para baterías. En 1917, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) introdujo una nomenclatura alfabética para los tamaños de batería estándar que todavía se utiliza en la actualidad.
Tamaños de batería
Las baterías están disponibles en los siguientes tamaños:
Celdas cilíndricas
Las celdas cilíndricas son las baterías más populares para baterías primarias y secundarias y algunas de las más fáciles de fabricar. Estas celdas tienen un mecanismo de alivio de presión que les permite soportar altas presiones internas sin deformarse. Los beneficios adicionales incluyen alta estabilidad mecánica, bajo costo, larga vida útil y excelente ciclabilidad. Estas celdas no cambian su forma o tamaño, por lo que la gestión térmica se puede realizar fácilmente con un espacio adecuado entre las celdas. La única desventaja de estas robustas baterías es su peso y su baja densidad de embalaje debido a las cavidades espaciales.
Ejemplo de baterías de celdas cilíndricas.
Las celdas cilíndricas son muy confiables y generalmente vienen con un interruptor PTC que detiene la conducción de corriente cuando una carga consume corriente excesiva, ofreciendo así protección contra cortocircuitos. El interruptor vuelve al estado conductor después del enfriamiento. Por seguridad mecánica, estas celdas utilizan sellos de membrana o respiraderos reutilizables. Algunas celdas cilíndricas de iones de litio utilizan un dispositivo de interrupción de carga que desconecta la celda cuando se expone a una presión mecánica peligrosa.
Las celdas cilíndricas se utilizan normalmente para baterías de níquel-cadmio y níquel-hidruro metálico. Están disponibles en tamaños populares como AA, AAA, AAAA, etc. y también están disponibles en tamaños parciales como formatos 1/2 y ¾. Las baterías recargables de iones de litio del tamaño 18650 también están disponibles en celdas cilíndricas. Las celdas cilíndricas de iones de litio 18650 se han utilizado ampliamente en baterías de portátiles y vehículos eléctricos, pero su demanda está disminuyendo a medida que los nuevos vehículos eléctricos dependerán de diseños de baterías descargadas. Aún así, las celdas cilíndricas de iones de litio de tamaño 21700, 20700 y 22700 seguirán teniendo demanda para una variedad de aplicaciones de electrónica de consumo.
Pilas de botón
Las pilas de botón o de botón se utilizan como baterías primarias de pequeño tamaño destinadas a dispositivos portátiles compactos. Estas células de bajo costo se encuentran en placas base, relojes de pulsera, equipos médicos portátiles y teléfonos inalámbricos. Su principal ventaja es su tamaño compacto, lo que permite apilarlos fácilmente en un tubo para alcanzar voltajes más altos. Su principal desventaja es la falta de aberturas de seguridad y el elevado tiempo de carga. Estas celdas se utilizan principalmente en dispositivos compactos o como reserva de energía para alguna parte de un circuito. Las pilas de botón también se utilizan para mantener el reloj en las placas base.
Ejemplo de pilas de botón.
Células prismáticas
Las celdas prismáticas presentan un diseño rectangular plano que permite la máxima utilización del espacio. No existe un formato de tamaño estándar para estas celdas y su tamaño varía según el fabricante. Se utilizan habitualmente en teléfonos móviles, teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles y dispositivos electrónicos portátiles, y ahora son la opción preferida en los vehículos eléctricos. Las principales desventajas de estas células son la mala gestión térmica, la corta vida útil y el coste. Son propensos a hincharse debido a la acumulación de gas y pueden aumentar de tamaño con el tiempo, lo que plantea riesgos de seguridad. También pueden dañar el dispositivo en el que están alojados, debido a su expansión y deformación.
Ejemplo de batería de celda prismática o rectangular
Celdas de bolsa
Las pilas de bolsa son las baterías más flexibles y ligeras. Con solapas de electrodos de lámina selladas, estas celdas tienen una carcasa flexible en forma de bolsa diseñada para adaptarse a cualquier hinchazón en la batería. Generalmente, las celdas de bolsillo pequeñas pueden hincharse después de unos cientos de ciclos de carga-descarga, mientras que las celdas de bolsillo grandes pueden hincharse después de varios miles de ciclos. Este diseño de batería es el más liviano y permite la máxima utilización del espacio. Aunque están diseñadas para cargas livianas, estas celdas pueden manejar altas corrientes de carga y pueden apilarse una al lado de la otra para lograr voltajes más altos.
Ejemplo de batería de celda prismática o rectangular
Cuando se fabrican celdas de bolsa, se les proporciona una bolsa de gas temporal. Los gases acumulados en la primera carga escapan a la bolsa de gas, que a continuación es eliminada. Luego se sella la bolsa y queda lista para ser enviada. En los ciclos de carga posteriores se produce una cantidad mínima de gas, que sólo puede acumularse después de cientos o miles de ciclos.
Estas células tienen mayor densidad energética; sin embargo, su fabricación es bastante cara. No existe un formato de tamaño estándar para estas celdas; vienen en varios tamaños y el tamaño puede variar según el fabricante. Las celdas de bolsa se utilizan comúnmente en dispositivos electrónicos portátiles (como auriculares Bluetooth, reproductores de música y juguetes) y dispositivos portátiles. También hay celdas de bolsa grandes que se utilizan en otras aplicaciones como UPS, ESS, etc.
Futuras tendencias
Actualmente, las pilas cilíndricas y las de botón son las baterías más populares. Sin embargo, la tendencia está cambiando hacia las celdas prismáticas y de bolsa a medida que su costo de fabricación disminuye gradualmente. Los futuros vehículos eléctricos podrán utilizar celdas de diseño plano (prismáticas y de bolsa). y la misma tendencia se puede observar en las baterías utilizadas en dispositivos portátiles, gadgets y dispositivos de consumo. Las celdas tipo bolsa se pueden fabricar como envases de alimentos, mientras que las celdas rectangulares se pueden fabricar más fácilmente con sistemas de automatización mejorados. Los fabricantes todavía están encontrando formas de mejorar la seguridad y la estabilidad térmica de los diseños de baterías agotadas, ya que el futuro de las baterías depende de utilizar el espacio, el peso y maximizar la densidad de energía sin comprometer la seguridad.
En el próximo artículo, discutiremos la elección de una batería.