Guía Esencial de Tipos de Baterías para Proyectos Electrónicos

Todos los dispositivos electrónicos requieren una fuente de alimentación para funcionar. Incidentalmente, las baterías son la fuente de energía más común en el mundo moderno. Esto es porque hacen posible la fabricación de dispositivos portátiles.

Podríamos decir que toda la industria electrónica depende de las baterías. Sin embargo, si es un ingeniero electrónico principiante, probablemente esté intentando evaluar el mejor tipo de baterías para su próximo proyecto. La siguiente guía cubrirá todos los diferentes tipos de baterías, qué las hace únicas y sus usos.

¿Qué es una Batería?

Las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía. Tradicionalmente, se han usado para alimentar pequeños dispositivos como linternas. Hoy en día, encuentra baterías en cualquier dispositivo que requiera una fuente de energía portátil.

Dado que sus casos de uso y propósitos varían, las baterías vienen en todas las formas y tamaños. Por ejemplo, no podemos esperar usar pilas AAA para alimentar un coche óptimamente. Así, los coches requieren una batería recargable de tamaño especial para funcionar correctamente.

¿Cómo Funcionan las Baterías?

Las baterías almacenan energía eléctrica como energía química. Al cargar una batería recargable, convierte la energía eléctrica y la retiene como energía química. Al usar la batería, ocurre una reacción química y la batería libera su carga como electricidad.

Por ejemplo, la lámpara en el circuito simple anterior requerirá un mar de electrones fluyendo a través de ella para funcionar. La batería proporciona la fuerza impulsora para propulsar los electrones a través de la lámpara. Debemos conectar la luz a los terminales positivo y negativo de la batería para completar el circuito. Si hay suficiente carga, la lámpara se iluminará.

Sin embargo, es importante recordar que la batería solo puede empujar electrones por el circuito por tiempo limitado. Este límite depende de la energía almacenada (carga) y la demanda de la carga. En nuestro ejemplo, la lámpara es nuestra carga, y la carga se refiere a la energía requerida para funcionar. La carga es cualquier componente que requiera electricidad. En PCBs, estos componentes pueden ser diodos, microchips (circuitos integrados), etc.

Diferencia entre una Celda y una Batería

Una celda eléctrica es un componente unitario que funciona fundamentalmente igual que una batería: convierte energía química en electricidad. Una batería es un grupo o colección de celdas. Sin embargo, la forma más popular de celda eléctrica es la celda botón. También se le llama pila de botón. Esto no es necesariamente incorrecto. Una celda singular puede estar en un grupo que forma una batería.

Tipos de Baterías

Las baterías se dividen en dos categorías principales:

• Baterías Primarias: Baterías desechables que no se pueden recargar. A veces se les llama de un solo uso o "tira y afloja". Su mayor ventaja es que producen corriente inmediatamente tras el ensamblaje. Se usan en dispositivos portátiles con bajo consumo o uso intermitente.
• Baterías Secundarias: Conocidas como baterías recargables. Los fabricantes las ensamblan con materiales activos en estado descargado. El usuario las recarga aplicando corriente eléctrica. La carga invierte las reacciones químicas que ocurren durante su uso. Se cargan con dispositivos llamados cargadores. La recarga y descarga pueden ocurrir múltiples veces según el tipo de batería (material).

Tipos de Baterías Primarias:

• Batería Zinc-Carbono

Las baterías zinc-carbón son las pilas primarias domésticas de menor coste. Dispersan corriente mediante reacción química entre zinc y dióxido de manganeso ácido. Su mayor desventaja es su baja potencia. Sin embargo, esto resulta en una baja tasa de auto-descarga, dándoles una vida útil excepcional. Son ideales para relojes y mandos a distancia.

• Batería Alcalina

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Las baterías alcalinas no recargables son las pilas primarias domésticas más usadas. Usan reacción electroquímica entre zinc y dióxido de manganeso. Su popularidad deriva de su alta energía por uso, al menos comparadas con zinc-carbón (y la mayoría de secundarias). Además, tienden a tener vidas útiles superiores.

Batería de Litio (o baterías de litio metálico)

Las baterías de litio primarias usan litio metálico como ánodo. Superan a zinc-carbón y alcalinas en energía por uso por su alta densidad de carga. Además, tienen vidas útiles increíbles: pueden durar más de una década y funcionan a bajas temperaturas. Sin embargo, no son tan populares ni accesibles por sus altos costes de producción.

No obstante, pueden producir tensiones entre 1,5 V y 3,7 V, por lo que los fabricantes las empaquetan en formatos pequeños. Las baterías de litio de mayor tamaño tienen mayor riesgo de inestabilidad, pero se usan en aplicaciones militares.

Batería de Óxido de Plata

Las baterías de óxido de plata son prevalentes en Japón. Usan óxido de plata para cátodos y zinc para ánodos. Tienen alta densidad energética, pero son caras por el cátodo de plata (metal precioso). Se usan principalmente en diseños de pila de botón donde la cantidad de plata es pequeña.

Batería Zinc-Aire

Muchos consideran las baterías zinc-aire alternativas aceptables a las de óxido de plata. Usan oxígeno del aire como cátodo y albergan el ánodo dentro de la celda. Por su alta densidad energética, son ideales para dispositivos médicos como audífonos y marcapasos. Sus largas vidas se atribuyen a su composición y estructura.

Batería de Mercurio

La batería de mercurio (óxido de mercurio/Ruben-Mallory) es no recargable y usa reacción electroquímica entre electrodos de óxido mercúrico y zinc en electrolito alcalino. Tienen mayor capacidad que zinc-carbón y proporcionan salida estable y fiable.

Suelen venir en formato pila de botón. Fueron populares en la WW2, pero hoy es casi imposible encontrarlas. Por la toxicidad del mercurio, muchos países han prohibido su venta.

Tipos de Baterías Secundarias:

• Batería Alcalina Recargable

La versión recargable de alcalinas es la batería recargable más asequible. Tienen larga vida útil. Son útiles para aplicaciones de potencia moderada. A pesar de su corto ciclo de vida (comparado con otras secundarias), siguen siendo populares. Al no usar materiales tóxicos, se pueden desechar en vertederos normales si la normativa local lo permite.

Níquel-Cadmio

Las baterías recargables Ni-Cd son apreciadas por su robustez y fiabilidad. Tienen amplio rango de temperatura y larga vida. Lo más importante: alta capacidad de potencia. Sin embargo, baja autonomía por carga y alta auto-descarga (~30%/mes). Pero al ser recargables, no es gran problema.

Otra desventaja: ~15% de cadmio tóxico y cancerígeno. No se pueden desechar en vertederos; deben reciclarse cuidadosamente.

Níquel-Hidruro Metálico

Las baterías NiMH son una versión mejorada de las Ni-Cd. Mismo voltaje pero hasta 30% más capacidad. Excelentes capacidades de alta corriente y largos ciclos de vida.

Pueden descargar hasta 40% de carga al mes. La auto-descarga es decepcionantemente mayor que Ni-Cd. Pero son superiores por no contener cadmio tóxico.

No obstante, contienen óxidos de níquel y trazas de cobalto, cancerígenos. Deben reciclarse cuidadosamente.

Batería de Iones de Litio

Las baterías Li-ion son el tipo más nuevo de secundaria. Son ~30% más ligeras que NiMH y proporcionan al menos un tercio más capacidad que Ni-Cd.

Excelentes capacidades de alta corriente, largos ciclos de vida, auto-descarga ~20%/mes. Son superiores a las de cadmio en casi todo. Pero menos robustas: susceptibles a sobrecalentamiento e incendios.

Aunque libres de cadmio, la mayoría contienen trazas de óxidos de cobalto y níquel, cancerígenos. Deben desecharse y reciclarse cuidadosamente.

Batería Plomo-Ácido

Las baterías plomo-ácido son las recargables más demandadas mundialmente por su fiabilidad y viabilidad económica. No son muy portables: voluminosas, pesadas y sobredimensionadas. El plomo es tóxico y cancerígeno.

No deben desecharse en vertederos normales. Los fabricantes reciclan baterías viejas para producir nuevas.

¿Por Qué No Todos los Tipos de Baterías son Recargables?

Al recargar una batería secundaria, no solo forzamos electrones de vuelta, sino que revertimos los materiales químicos a su estado cargado inicial. En primarias, los materiales se ensamblan en estado cargado. Usar la carga reconfigura permanentemente los materiales; ya no pueden retener otra carga.

En secundarias, una reacción química entrega carga y vuelven a su estado original al recargar. Requieren materiales compatibles con estos cambios.

Aplicaciones de las Baterías

Algunas aplicaciones comunes:

• Alarmas
• Circuitos de comunicaciones
• Relojes
• Mandos a distancia
• Marcapasos
• Audífonos
• Auriculares inalámbricos
• Vehículos de motor
• Periféricos inalámbricos (teclados y ratones)
• Consolas portátiles (Game Boys)
• Smartwatches

¿Cómo Elegir una Batería?

Ahora que conoce todos los tipos, decida cuál es mejor para su proyecto. Al seleccionar, se suele equilibrar coste y rendimiento. Pero hay otras especificaciones:

• Tipo: Primaria (no recargable) o secundaria (recargable)
• Capacidad: Energía que una carga puede extraer. Se denota en Ah (ej. 500 mAh = 1 mA por hora).
• Vida útil: Tiempo que mantiene carga sin usar.
• Temperatura de funcionamiento: Qué tan caliente se pone al usarse/recargarse. Ayuda a determinar si necesita disipador.
• Velocidad de recarga: Qué tan rápido se recarga una secundaria.
• Vida de la batería: Ciclos de recarga/descarga (secundaria) o tiempo de uso (primaria).

Conclusión

No existe una solución única de batería para todos los dispositivos portátiles. Como los dispositivos varían en forma, tamaño y robustez, requieren una fuente de energía adecuada a sus requisitos de espacio y carga. Así, existen variedad de baterías con ventajas e inconvenientes. Esta guía los exhibe. Recuerde desechar y reciclar baterías usadas con cuidado. Esperamos que esta guía le sea útil. Gracias por leer.