Tipos de baterías

Existen muchos tipos de baterías diferentes disponibles en el mercado, y las

características técnicas y el rendimiento son diferentes en cada tipo dependiendo de la tecnología, el fabricante y el proveedor. Su tiempo de descarga varía de segundos a días, su capacidad puede ser de vatios, kW o decenas de MW. Además, existen variaciones dentro de cada tecnología en función del nivel de tensión, la profundidad de descarga, los requisitos de mantenimiento y los requisitos de la carga. Por tanto, no existe ninguna tecnología de batería que sirva para una aplicación particular, sino más bien

una multitud de opciones en función de los criterios de funcionamiento necesarios. Además, existen proyectos que combinan diferentes tecnologías de baterías para lograr la funcionalidad requerida (almacenamiento híbrido).

Las nuevas baterías innovadoras son impulsadas por la necesidad de mejorar la

seguridad, la escasez de materiales, la reducción de costes, la mejora del rendimiento y el aumento de la sostenibilidad. A continuación se exponen los diferentes tipos de baterías más utilizados, así como sus características técnicas más destacadas.

7.2.1. Baterías de plomo-ácido

Las baterías de plomo-ácido ya se han desarrollaron ampliamente para apoyar el despliegue de las energías renovables. Por ejemplo, entre 1995 y 2009 Marruecos instaló alrededor de 50.000 sistemas solares acoplados a baterías para proporcionar electricidad en zonas rurales. En Bangladesh, 3,5 millones de sistemas solares se han instalado en hogares cada uno con una batería acoplada. En la mayoría de los casos, se utilizan baterías selladas de plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA) o baterías de plomo-ácido inundadas. Estas últimas son más baratas, pero necesitan mantenimiento mensual para comprobar y volver a llenar con agua destilada cuando los niveles de agua caen por debajo de las placas. Además, necesitan ser operadas en lugares ventilados debido a la producción de gases inflamables. La opción de baterías selladas reguladas con válvulas no solo depende de sus características técnicas, sino también del marco regulatorio, tales como sistemas de subvenciones o requisitos de reciclaje.

Muchas baterías de plomo todavía tienen baja profundidad de descarga (<20%), bajo número de ciclo (<500) y un tiempo de vida limitado de 3-4 años, debido también a la falta de mantenimiento. Su densidad de energía, alrededor de 50 Wh / kg, es

generalmente menor que la densidad de las baterías de iones de litio. Sin embargo, las versiones más recientes pueden alcanzar 2.800 ciclos a una profundidad del 50% de descarga y garantizar una vida útil de hasta 17 años.

7.2.2. Plomo-ácido Avanzada

Las baterías de plomo-ácido son una tecnología madura que se ha ido adaptando debido a su relativo bajo coste. Se utilizan principalmente en el mercado del automóvil

convencional, pero también en el mercado de la energía. Las baterías de plomo con válvula tradicional han estado en el mercado desde 1960. Las baterías de plomo-ácido avanzadas con fibra de vidrio han estado disponibles comercialmente desde 1980. Las baterías convencionales de plomo-ácido todavía se utilizan pero tienen varios

inconvenientes técnicos como un ciclo de vida corto, y un proceso de mantenimiento y recarga lento. Es por esto que, las baterías avanzadas están conquistando el mercado. Las opciones de batería plomo-ácido avanzada utilizan carbono en uno o ambos electrodos. Esta tecnología ha sido introducida por Ecoult/ East Penn, Axion

International Power y Xtreme Power. Esta última empresa, era una empresa líder en baterías de plomo-ácido pero hace poco se declaró en quiebra y fue adquirida por Younicos. El hecho de la quiebra junto con los problemas de seguridad en sus baterías

ponen de manifiesto los problemas de adaptación de la tecnología. Por otro lado, la tecnología desarrollada por Axion utiliza un electrodo positivo de la composición de plomo-ácido estándar con un electrodo negativo supercondensador que consta de 5 capas de carbono activo. La empresa Ecoult / East Penn ha llamado a su tecnología 'UltraBattery' y se basa en un diseño de plomo-ácido y un supercondensador híbrido, pero su electrodo negativo consiste tan solo de dos capas.

Figura 42: Diseño de la batería de plomo-ácido avanzada, UltraBattery. [32]

El supercondensador permite a la batería funcionar más tiempo y con mayor eficacia en un estado parcial de carga que las baterías de plomo-ácido tradicionales. Esto se

consigue de dos maneras. En primer lugar, el supercondensador basado en el carbono evita la sulfatación que generalmente se presenta en las baterías de plomo-ácido tradicionales. La sulfatación es un proceso a través del cual los cristales de sulfato crecen en el electrodo negativo. Con el tiempo se hacen más grandes y no se disuelven completamente durante el proceso de carga. Esto conduce a una mayor resistencia interna y a la disminución del rendimiento. En segundo lugar, la batería funciona en un estado inferior de carga que las baterías de plomo-ácido tradicionales. Esto es debido a que el proceso de electrólisis, división del agua en hidrógeno y oxígeno, se produce con menos frecuencia. Como resultado, el electrodo positivo experimenta menos corrosión y se seca más lentamente que las baterías convencionales.

La intención es mejorar drásticamente el rendimiento y la durabilidad del diseño de la batería de plomo-ácido tradicional. Esta batería ha sido probada en los vehículos híbridos, y está demostrando su utilidad en aplicaciones del sector energético.

7.2.3. Baterías de sales fundidas

Las baterías de sodio-azufre (también conocida como batería ZEBRA, inventada por el proyecto africano Zeolite Battery Research en Pretoria, Sudáfrica), y otras variedades de baterías utilizan sal fundida como electrolito, y por lo tanto tienen que operar bajo altas temperaturas, más de 300 ° C. Las baterías de sodio-azufre son una tecnología

Japón por la compañía eléctrica Tokyo Electric Power Company y NGK Insulators a finales de 1990. Han estado disponibles comercialmente desde 2002. Se utilizan generalmente para largos períodos de descarga de una duración de seis horas o más. Al igual que las baterías de plomo-ácido, las baterías de sodio-azufre tienen un ciclo de vida limitado, son capaces de cargarse y descargarse un número limitado de veces antes de degradarse de manera significativa. Su principal ventaja sobre las baterías de flujo es que cualquier degradación de los electrodos, se repara automáticamente cada vez que los electrodos NaS son licuados. Tienen una densidad de energía de alrededor de 60 Wh / kg, un ciclo de vida de 1.500 a 3.000 ciclos y un coste aproximado de 600 USD / kWh en 2014.

7.2.4. Baterías de iones de litio

Las baterías de litio tienen una alta densidad de energía, así como alta densidad de potencia en comparación con otras baterías (densidad de energía de alrededor de 120 Wh / kg en comparación con 35 Wh / kg para las de plomo-ácido). Esto les permite ocupar un mínimo espacio físico mientras que proporcionan una alta tasa de energía y potencia. La densidad y el rendimiento energético continúan mejorando, lo que las hace tan populares para aplicaciones del sector electrónico y energético. Además, tienen una alta eficiencia 80-90%. Estas baterías son las más adecuadas para ciclos relativamente cortos de descarga (menos de cuatro horas). Su alta densidad de potencia y energía se traduce en que son ideales para la regulación de frecuencia y otras aplicaciones que requieren de descarga relativamente corta y alto rendimiento de potencia.

Las baterías de litio pueden fabricarse con diferentes tipos de químicas, cada uno con características de coste y rendimiento diferentes. Se pueden agrupar en dos categorías de materiales catódicos que complementan al litio: fosfato de hierro y metal mixto (cobalto y óxido de manganeso). Por otro lado, tenemos el titanato, un material que puede complementar al litio creando baterías de litio-titanato, permitiendo que los electrones entren y salgan del ánodo rápidamente. Esto hace que sea posible la recarga rápida y proporcione altas corrientes cuando sea necesario. La desventaja es que las baterías de litio-titanato tienen una tensión inferior, que conduce a una menor densidad de energía que las tecnologías de baterías de iones de litio convencionales. Además son más caras.

Uno de los mayores obstáculos que enfrentan las baterías de iones de litio es la

seguridad. La densidad energética de las células y la combustibilidad del litio, así como la presencia de oxígeno pueden provocar sobrecalentamiento de las células e incluso incendiarse. Muchas condiciones pueden causar este efecto, tales como calefacción externa, sobrecarga o demasiada descarga. Nuevos diseños integran características de gestión térmica, por ejemplo, mediante la limitación de la carga y descarga.

Tabla 14: Características de las diferentes baterías de iones de litio. [32]

7.2.5. Baterías de flujo

Baterías de flujo están formadas por pilas de reacción separadas de los electrolitos en los depósitos de almacenamiento externo. Uno o ambos materiales activos están en solución en el electrolito en todo momento. Las baterías de flujo tienen características únicas en términos de potencia y energía. La potencia que proporcionan es función del número de células que se apilan, mientras que la energía es función del volumen del electrolito, que se distribuye por medio de bombas. Las baterías de flujo son

generalmente menos afectadas por las sobrecargas y descargas. Esto significa que pueden ser utilizados sin una degradación significativa del rendimiento. Esto sucede incluso cuando se utiliza la mayor parte de la energía (descarga profunda), poco común para la mayoría de los tipos de baterías. Por otro lado, las bombas y tuberías aumentan el coste de las baterías, y el electrolito puede ser propenso a fugas y debe ser contenido.

Los materiales de las membranas han sido hasta ahora susceptibles a la degradación prematura y la contaminación, y además, son caros. Las principales químicas utilizadas en las baterías de flujo son redox (reacción de reducción-oxidación) de vanadio y redox de bromo y zinc.

En el pasado, la tecnología tenía límites en cuanto a la densidad de energía. Esto es porque el electrolito, una solución de ácido sulfúrico, se sobresatura y es sensible a la temperatura. Además, se han necesitado membranas de polímeros caros debido al ambiente ácido. Las empresas y las instituciones investigadoras están trabajando en estos problemas. Otros químicas en desarrollo, como el bromo hidrógeno o hierro- cromo, prometen mejorar las características de las baterías de flujo.

7.2.6. Otros tipos de baterías en desarrollo

Las baterías que se han visto en los apartados anteriores son las más avanzadas en cuanto a investigación, desarrollo y comercialización. Pero, además, se están

desarrollando otros tipos de nuevas baterías. Las más destacadas son la batería de flujo de hierro-cromo, NMC litio con ánodos de silicio, batería de azufre y litio, las baterías de electrolito sólido y las baterías de aire-metal. También han surgido soluciones

hibridas como Aqueous hybrid de Aquion, se trata de una batería nueva que se centra en la sostenibilidad de los componentes.

Una vez realizado la descripción de los principales tipos de baterías y sus

características, se va a analizar en que consiste el sistema de almacenamiento mediante baterías.