Batteries: What are the options?

A medida que el mundo comienza a utilizar cada vez más las fuentes de energía renovable y el almacenamiento de energía a gran escala, es beneficioso comprender las diferentes tecnologías de baterías disponibles en el mercado. Cada tipo de batería ofrece características únicas que lo hacen adecuado para aplicaciones específicas, desde estabilización de la red eléctrica hasta sistemas eléctricos de respaldo. En esta publicación, exploraremos los principales tipos de baterías estacionarias, su química subyacente, las aplicaciones típicas y las ventajas y desventajas de cada tecnología. 

Sin embargo, antes de observar los tipos de batería individuales, puede ser útil conocer la siguiente información general. Todas las baterías son dispositivos electroquímicos y, como tales, están ineludiblemente sujetas a las leyes que rigen la velocidad de reacciones químicas. En particular, todas las baterías se ven afectadas por la temperatura. Las altas temperaturas darán lugar a una menor duración de la batería, mientras que las bajas temperaturas reducirán la capacidad y el rendimiento. Por lo tanto, las baterías que deban funcionar en condiciones de calor o frío inusuales deben elegirse y dimensionarse con especial cuidado.

 

Baterías de plomo-ácido

Las baterías de plomo-ácido son una de las tecnologías de batería recargable más antiguas y establecidas. Se han utilizado durante más de un siglo en una amplia gama de aplicaciones, desde el arranque de automóviles hasta el suministro de energía ininterrumpida y el almacenamiento de energía fuera de la red.

Química

Las baterías de ácido-plomo constan de placas positivas de dióxido de plomo (PbO2) y placas negativas de plomo (Pb) esponjoso, sumergidas en un electrolito de ácido sulfúrico (H2SO4).

Tipos

1. Ácido-plomo con ventilación (VLA): también conocidas como baterías de ácido-plomo inundadas, estas deben llenarse con agua regularmente.
2. Ácido-plomo regulada por válvula (VRLA): baterías selladas, incluyen fibra de vidrio absorbente y tipos de gel. Estas baterías requieren pruebas periódicas, ya que operan en un modo de escasez de electrolitos.

Aplicaciones típicas

• Energía de respaldo para telecomunicaciones y centros de datos
• Sistemas de energía renovable fuera de la red y conectados a la red
• Fuentes de alimentación ininterrumpidas (UPS)
• Estaciones de carga de vehículos eléctricos
• Arranque de vehículos de gasolina y diésel

Ventajas

• Tecnología bien establecida con una larga historia: esto significa que hay una gran cantidad de conocimientos y experiencia sobre su uso y mantenimiento.
• Bajo costo inicial: las baterías de ácido-plomo suelen ser la opción más económica para las necesidades de almacenamiento de energía a corto plazo.
• Altamente reciclable: casi el 100 % de una batería de ácido-plomo se puede reciclar, lo que las convierte en una opción responsable desde el punto de vista medioambiental.
• Confiable y tolerante a la sobrecarga: cuando se administran correctamente, las baterías de ácido-plomo pueden soportar una sobrecarga ocasional sin daños significativos.

Desventajas

• Menor densidad de energía en comparación con las tecnologías más nuevas: requieren más espacio para almacenar la misma cantidad de energía que los tipos de batería más avanzados.
• Vida útil más corta, en especial si se descarga profundamente: las descargas profundas regulares pueden reducir significativamente la vida útil de las baterías de ácido-plomo.

 

Baterías de iones de litio

Debido a su alta densidad de energía y eficiencia, las baterías de iones de litio revolucionaron el almacenamiento de energía. Se han vuelto cada vez más populares en aplicaciones como el almacenamiento de energía conectado a la red eléctrica, los vehículos eléctricos y los dispositivos electrónicos portátiles.

Química

Las baterías de iones de litio utilizan un compuesto de litio como electrodo positivo y, por lo general, grafito como electrodo negativo. El electrolito es una sal de litio en un solvente orgánico.

Tipos

1. Óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto: ofrece un buen equilibrio entre densidad de energía y potencia.
2. Litio-ferrofosfato: conocidas por su seguridad y vida útil prolongada.
3. Óxido de aluminio, cobalto, níquel y litio: proporciona una densidad de energía alta.
4. Óxido de litio y manganeso: ofrece buena estabilidad térmica y seguridad.

Aplicaciones típicas

• Almacenamiento de energía conectada a la red y estabilización de la red eléctrica
• Vehículos eléctricos y vehículos eléctricos híbridos
• Sistemas de almacenamiento de energía residenciales y comerciales
• Dispositivos electrónicos portátiles y herramientas eléctricas

Ventajas

• Densidad de energía alta: esto permite soluciones de almacenamiento de energía más compactas y livianas, lo que es crucial para aplicaciones como vehículos eléctricos.
• Vida útil prolongada: muchas baterías de iones de litio pueden soportar miles de ciclos de carga y descarga, lo que las hace rentables a largo plazo.
• Baja tasa de autodescarga: pueden mantener su carga durante períodos más prolongados cuando no se utilizan, lo que los hace adecuados para aplicaciones de uso intermitente.
• Sin efecto de memoria: a diferencia de algunas tecnologías de batería más antiguas, no es necesario descargar completamente las baterías de iones de litio antes de recargarlas.
• Capacidad de carga rápida: esto es particularmente beneficioso para las aplicaciones que requieren tiempos de respuesta rápidos, como vehículos eléctricos.

Desventajas

• Costo inicial más alto: aunque los precios están disminuyendo, las baterías de iones de litio siguen siendo más costosas al inicio que las baterías de ácido-plomo.
• Posibles preocupaciones de seguridad (desviación térmica): en casos excepcionales, las baterías de iones de litio pueden sobrecalentarse e incendiarse.
• Requieren sistemas sofisticados de administración de baterías: para evitar la sobrecarga, la descarga excesiva, el sobrecalentamiento y para equilibrar las células, se necesitan sistemas de control complejos.
• El rendimiento se degrada a altas temperaturas: la exposición a altas temperaturas puede acelerar la pérdida de capacidad y reducir la vida útil total de la batería.

 

Baterías de flujo

Las baterías de flujo son un tipo único de batería recargable en las que la energía se almacena en un electrolito líquido. Ofrecen la ventaja de desacoplar la potencia y la capacidad de energía, lo que las hace altamente escalables para aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala.

Química

El tipo más común es la batería de flujo redox de vanadio (VRFB, del inglés Vanadium Redox Flow Battery), que utiliza iones de vanadio en diferentes estados de oxidación. Otras químicas incluyen zinc-bromuro y hierro-cromo.

Aplicaciones típicas

• Almacenamiento de energía de red a gran escala
• Integración de energía renovable
• Sistemas de microrred y fuera de la red
• Administración de energía industrial y comercial

Ventajas

• Vida útil prolongada: las baterías de flujo normalmente pueden soportar decenas de miles de ciclos de carga y descarga sin una degradación significativa.
• Pueden descargarse por completo sin daños: a diferencia de muchos otros tipos de baterías, las baterías de flujo no se dañan por una descarga completa.
• Fácilmente escalable a través del aumento del tamaño del tanque: la capacidad de energía se puede aumentar simplemente a través del uso de tanques de electrolitos más grandes, sin cambiar los componentes de potencia.
• Menor riesgo de incendio que las de iones de litio: los electrolitos acuosos utilizados en la mayoría de las baterías de flujo no son inflamables, lo que reduce las preocupaciones de seguridad.

Desventajas

• Menor densidad de energía: las baterías de flujo requieren más espacio que tecnologías como los iones de litio para almacenar la misma cantidad de energía.
• Sistema complejo: la necesidad de tanques de electrolito grandes hace que las baterías de flujo sean más complejas mecánicamente que las baterías de estado sólido.
• Costos iniciales más altos: la complejidad de los sistemas de baterías de flujo a menudo genera mayores costos iniciales, aunque su larga vida útil puede compensar esto.
• Potencial de fuga de electrolitos: la contención y el mantenimiento adecuados son fundamentales para evitar la contaminación medioambiental por fugas de electrolitos.

 

Baterías de iones de sodio

Las baterías de iones de sodio son una tecnología emergente que ofrece una alternativa potencialmente más sostenible a las baterías de iones de litio. Utilizan materiales abundantes y de bajo costo, y podrían mejorar significativamente las aplicaciones futuras de almacenamiento de energía.

Química

Similar a los iones de litio, pero utiliza iones de sodio en lugar de iones de litio para la transferencia de carga. El cátodo es normalmente un óxido de metal en capas, mientras que el ánodo suele ser carbono duro.

Aplicaciones típicas

• Almacenamiento de energía con conexión a la red eléctrica
• Almacenamiento de energía residencial y comercial
• Vehículos eléctricos
• Sistemas eléctricos portátiles (en desarrollo)

Ventajas

• Materias primas más abundantes y más económicas: el sodio es mucho más abundante que el litio, lo que potencialmente conduce a menores costos y a una producción más sostenible.
• Potencialmente más ecológico: los materiales utilizados en las baterías de iones de sodio son generalmente menos tóxicos y más fáciles de reciclar que los de las baterías de iones de litio.
• Se puede descargar completamente para un transporte más seguro: a diferencia de las baterías de iones de litio, las baterías de iones de sodio se pueden descargar por completo, lo que simplifica la logística de envío y almacenamiento.

Desventajas

• Menor densidad de energía en comparación con el ion de litio: es posible que las baterías de iones de sodio no sean adecuadas para aplicaciones en las que el peso y el tamaño sean factores críticos.
• Tecnología aún en las primeras etapas de comercialización: como una tecnología más nueva, las baterías de iones de sodio aún deben demostrar su confiabilidad y rendimiento a largo plazo en aplicaciones del mundo real.
• Historial limitado en aplicaciones a gran escala: la falta de amplios datos de campo hace que sea difícil predecir el rendimiento a largo plazo y los posibles problemas.

 

Baterías de níquel

Si bien son menos comunes en nuevas instalaciones, las baterías de níquel todavía se utilizan en algunas aplicaciones estacionarias. Ofrecen un rendimiento confiable y pueden soportar condiciones ambientales difíciles.

Química

Las baterías de níquel utilizan oxihidróxido de níquel (NiOOH) como electrodo positivo. El electrodo negativo y el electrolito difieren entre los tipos. Durante la descarga, el electrodo de oxihidróxido de níquel se reduce a hidróxido de níquel, mientras que el electrodo negativo se oxida. Este proceso se invierte durante la carga.

Tipos

1. Níquel-cadmio (NiCd): conocido por su durabilidad.
2. Níquel-metalhidruro (NiMH): ofrece una mayor densidad de energía que las baterías de NiCd sin el uso de cadmio tóxico.

Aplicaciones típicas

• Sistemas eléctricos de respaldo industriales
• Señalización ferroviaria
• Arranque de aviones y potencia de emergencia
• Sistemas de telecomunicaciones remotos

Ventajas

• Resistente y duradera: las baterías de níquel pueden soportar condiciones adversas, incluida la tensión física.
• Buena vida útil: cuando se mantienen correctamente, las baterías de níquel pueden durar muchos años y miles de ciclos.

Desventajas

• Menor densidad de energía que las de iones de litio: esto las hace menos adecuadas para aplicaciones en las que el espacio y el peso son esenciales.
• Efecto de memoria (especialmente en NiCd): los ciclos de descarga parcial pueden provocar una pérdida de capacidad utilizable, lo que requiere ciclos periódicos de descarga completa.
• Inquietudes medioambientales con respecto al cadmio en baterías de NiCd: la naturaleza tóxica del cadmio ha dado lugar a restricciones en el uso de las baterías de NiCd en muchas regiones.

 

La importancia de las pruebas adecuadas

Cada una de estas tecnologías de batería requiere un régimen de pruebas específico para garantizar que el rendimiento, la seguridad y la longevidad sean óptimos. Los métodos de prueba y la frecuencia varían significativamente entre los diferentes tipos de batería. Por ejemplo:

• Las baterías de ácido-plomo a menudo requieren mediciones regulares de gravedad específica, pruebas de capacidad y pruebas óhmicas para evaluar su estado.
• Las baterías de iones de litio se benefician de los monitoreos de estado sofisticados y las pruebas de impedancia para detectar los primeros signos de degradación.
• Es posible que las baterías de flujo necesiten un análisis de composición de electrolitos además de las pruebas eléctricas estándar para garantizar un rendimiento óptimo.

Las pruebas adecuadas son esenciales no solo para mantener el rendimiento de la batería, sino también para garantizar la seguridad y confiabilidad de los sistemas de almacenamiento de energía. Las pruebas regulares pueden ayudar a identificar posibles problemas antes de que se produzcan fallas, optimizar las estrategias de administración de las baterías y extender la vida útil general del sistema de almacenamiento de energía.

 

Conclusión

Las baterías estacionarias son diversas, y cada tecnología ofrece ventajas y desafíos únicos. A medida que continuamos mejorando nuestras capacidades de almacenamiento de energía, es probable que veamos más innovaciones y mejoras en la tecnología de baterías.

Comprender las características de los diferentes tipos de batería es fundamental para seleccionar la tecnología adecuada para aplicaciones específicas. También es importante implementar regímenes de pruebas y mantenimiento adecuados para garantizar que estas baterías funcionen de manera óptima durante todo su ciclo de vida.

En nuestra próxima publicación, exploraremos las complejidades de probar diferentes tecnologías de baterías y cómo las soluciones de Megger pueden ayudar a garantizar la confiabilidad y longevidad de los sistemas de almacenamiento de energía.