Taller de baterías

Christian Forcada VitallaFundamentos de física y electrónica

Grado en Ingeniería Informática

Bateria LG E960 Nexus 4Características:● Batería ion de litio en polimero

(LiPo)● Voltaje 3.8 V● Capacidad 2100 mAh

(miliamperios/hora)● Produce 8.0 Wh

(vatios/hora)

Funcionamiento de una batería

● Al igual que ocurre con los imanes, los electrones son repelidos por el cátodo a al mismo tiempo que el ánodo actúa ocasionando el efecto contrario, alimentando el circuito que se encuentre entre ambos polos.

● Esta reacción no se presenta por tiempo indefinido, sino que el efecto se atenúa con el paso del tiempo hasta que deja de darse por completo, algo notable cuantitativamente por la disminución del voltaje.

●

● La corriente eléctrica en una batería es fruto de una reacción química pura que tiene lugar en su interior.

● Dicha reacción produce en su polo negativo o cátodo una gran cantidad de electrones con carga negativa a la vez que en su polo positivo o ánodo se produce simultáneamente una ausencia de los mismos.

Baterías Anteriores ● SLA: la batería de ácido-plomo es un tipo de batería recargable (batería

húmeda) muy común en vehículos convencionales, como batería de arranque. También se utilizan como batería de tracción de vehículos eléctricos.

● Ni-Cd: la batería de níquel-cadmio es una batería recargable de uso doméstico e industrial. Cada vez se usan menos (a favor de las baterías de NiMH), debido a su efecto memoria y al cadmio, que es muy contaminante).

● Ni-MH: batería de níquel-hidruro metálico es es un tipo de batería recargable que utiliza un ánodo de oxihidróxido de níquel, como en la batería de níquel cadmio, pero cuyo cátodo es de una aleación de hidrurometálico. Esto permite eliminar el cadmio, que es muy caro y, además, representa un peligro para el medio ambiente. Posee una mayor capacidad de carga y un menor efecto memoria.

SLA (ácido-plomo)● Están formadas por un depósito de ácido sulfúrico y dentro de él una serie

de placas de plomo dispuestas alternadamente.● En este tipo de baterías, los dos electrodos están hechos de plomo y el

electrolito es una solución de agua destilada y ácido sulfúrico.● Cada celda de la batería proporciona una tensión de 2V.● Proporcionan de 500 a 800 ciclos de descarga/carga.● La razón primordial de su ciclo de vida relativamente

corto, es la corrosión del electrodo positivo y el agotamiento del material activo, además una temperatura elevada también reduce la longevidad. La batería de plomo-ácido tiene una de las densidades de energía más bajas.

Ni-Cd (níquel-cadmio) ● Gran fiabilidad. Desaparece el riesgo de corrosión y

se elimina el riesgo de muerte súbita.● Vida superior de la batería, por el comportamiento

electroquímico de los materiales activos. → Bajo costo de vida/ciclo.

● Cada celda de la batería proporciona una tensión de 1,2 V.● Proporcionan aproximadamente 2000 ciclos de descarga/carga.● Mejor rendimiento frente a temperaturas extremas. Menor impacto en la

vida útil en condiciones de temperaturas adversas.● Gran resistencia frente a abusos eléctricos, sin que le afecten los

cortocircuitos, la inversión de polaridad ni su descarga total.● Tienen efecto memoria lo cual acelera su proceso de descarga.

Ni-MH (níquel-hidruro metálico) ● Extensión de la tecnología de NiCd, ofrece mayor densidad de

energía y el cátodo es una aleación de hidruro metálico, evitando los problemas ambientales de la NiCd.

● Cada celda de la batería proporciona una tensión de 1,2 V.● Proporcionan de 500 a 2000 ciclos de descarga/carga.● Tiene una alta tasa de autodescarga (existe una variante

híbrida con baja autodescarga (LSD NiMH) introducida en el mercado en 2005).

● Su efecto memoria es casi despreciable.● Precio elevado, aunque se estima que su costo disminuirá al

producir vehículos eléctricos a gran escala.

Efecto memoria● Fenómeno por el cual la capacidad de las baterías se ve reducida debido

a una incorrecta gestión de las cargas por parte del usuario o por sobrecalentamiento.

● Al cargar las baterías sin que éstas hayan llegado a descargarse por completo de forma reiterada, los compuestos encargados de generar la reacción química que produce la corriente eléctrica terminan por crear cristales que modifican el voltaje y reducen su potencial energético o capacidad de carga.

● Uno de los modos más efectivos para prevenirlo en las baterías NiCd y NiMh es realizar al menos un ciclo completo de carga/descarga cada poco tiempo de uso.

Baterías Litio-Ion + Polímero ● Baterías Litio-Ion clásicas

○ Emplea como electrolito una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.

● Baterías Litio-Ion Polímero○ Evolución de las baterías de ión de litio, en las que se usa algún

polímero para contener el electrolito.○ Su producción es más barata, son más eficientes en el ciclo de carga

y descarga y pesan menos que los otros modelos comerciales.

Ventajas Litio-Ion Polímero● Elevada densidad de energía: Acumulan mucha mayor carga por unidad

de peso y volumen.● Poco peso: A igualdad de carga almacenada, son menos pesadas y

ocupan menos volumen que las de tipo Ni-MH y mucho menos que las de Ni-Cd y Plomo.

● Alto voltaje por célula: Cada batería proporciona 3,7 voltios, lo mismo que tres baterías de Ni-MH o Ni-Cd (1,2 V cada una).

● Carecen de efecto memoria.● Descarga lineal: Durante toda la descarga, el voltaje de la batería varía

poco, lo que evita la necesidad de circuitos reguladores.● Baja tasa de autodescarga: En el caso de las baterías de Ni-MH, esta

"autodescarga" puede suponer más de un 20% mensual. En el caso de Li-Ion es de menos un 6% en el mismo periodo.

Inconvenientes Litio-Ion Polímero● Duración media: Depende de la cantidad de carga que almacenen,

independientemente de su uso. Tienen una vida útil de unos 3 años o más si se almacenan con un 40% de su carga máxima.

● Soportan un número limitado de cargas: entre 400 y 1200, menos que una batería de Ni-Cd e igual que las de Ni-MH, por lo que hoy día ya empiezan a ser consideradas en la categoría de consumibles.

● Son costosas: Su fabricación es más costosa que las de Ni-Cd e igual que las de de Ni-MH, si bien actualmente el precio baja rápidamente debido a su gran penetración en el mercado, con el consiguiente abaratamiento.

● Peor capacidad de trabajo en frío: Ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de Ni-Cd o Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un 25%.

● Sufren un efecto comparable al efecto memoria, llamada pasivación.

Pasivación● Únicamente afecta a las baterías con base de Litio en su composición. ● La pasivación se produce cuando una batería sufre un largo periodo de

inactividad o se le habitúa a recibir cargas pequeñas en cuanto a duración, lo que evidentemente repercute en su nivel de capacidad.

● Aparece una fina película de Cloruro de Litio (LiCl) que se forma sobre la superficie del ánodo que puede hacer caer el voltaje de la batería por debajo del necesario para el funcionamiento del dispositivo móvil al que dan servicio si ésta se torna cada vez mayor.

● Sin embargo puede resultar incluso beneficiosa al evitar la autodescarga de la batería, ya que si la capa aún es fina desaparecerá conforme ésta se usa de forma habitual.

Comparativa densidades de energía

Comparación de diferentes tecnologías de baterías en términos de volumétrica (Wh/l) y gravimétrica (Wh/kg) densidad de energía

Manual de usuario LG E960 Nexus 4En cuanto al cuidado y carga de la batería el fabricante recomienda:● La batería no estará completamente cargada cuando abras por primera vez el

paquete del Nexus 4. Es recomendable que cargues completamente la batería en cuanto puedas.

● Usa únicamente el adaptador de viaje y el cable micro USB que vienen con el LG Nexus 4. La utilización de otro adaptador de viaje o cable, puede causar daños al dispositivo.

● El intervalo de la tensión de entrada entre la toma de corriente y el adaptador de viaje es de 100V–240V. La tensión de salida del adaptador es de 5V, 1,2 A.

● El dispositivo tardará más tiempo en cargarse a través de un cable USB conectado a otro dispositivo, como por ejemplo un ordenador portátil, que a través de un adaptador de viaje.

● La batería del Nexus 4 no es removible. No intentes abrir el dispositivo.

Consejos para el cuidado de las baterías Ion-Litio● Estas baterías no tienen efecto memoria, y por ello no hace falta

descargarlas por completo. De hecho no es recomendable, dado que puede acortar mucho su vida útil.○ Es recomendable no dejar caer la carga nunca por debajo del 15%.○ Evitar cargar la batería al 100% retirando el cargador sobre el 90%.○ Si quieres alargar al máximo la vida útil de tu batería mantén siempre

que puedas la carga entre un 30% y un 80%.● Es recomendable que permanezcan en un sitio fresco (15°C), y evitar el

calor.● Cuando se vayan a almacenar mucho tiempo, se recomienda dejarlas con

carga intermedia (40%). Asimismo, se debe evitar mantenerlas con carga completa durante largos períodos.

Consejos para el cuidado de las baterías Ion-Litio II● La primera carga no es decisiva en cuanto a su duración y no es preciso

hacerla; el funcionamiento de una batería de ión de Litio en la primera carga es igual al de las siguientes. Es un mito probablemente heredado de las baterías de níquel.

● Es preciso cargarlas con un cargador específico para esta tecnología. Usar un cargador inadecuado dañará la batería y puede hacer que se incendie.

● No es recomendable cargar la batería conectando el dispositivo por USB a un ordenador portátil. La corriente que proporciona un puerto USB 2.0 es de 500mA y un USB 3.0 es de 900 mA, mientras que la mayoría de cargadores oficiales de smartphones actuales proporcionan más de 1A y los cargadores de tablet rondan los 2A.

Consejos para el cuidado de las baterías Ion-Litio III● No utilizar el dispositivo mientras el cargador se encuentra enchufado.

Esto aumenta la temperatura de la batería disminuyendo su vida útil.● Es recomendable calibrar al menos una vez al mes la batería. Para ello lo

único que hay que hacer es dejar que la batería se descargue completamente, no usar el dispositivo durante unas cinco o seis horas y finalmente ponerlo a cargar hasta que esté completamente cargado. Una vez cargado, mantener el cargador conectado durante un par de horas más y a partir de ese momento podrás volver a utilizarlo.

● Es recomendable variar el porcentaje al cual ponemos a cargar nuestra batería. No es necesario dejar caer la carga siempre hasta un 20% por ejemplo.

Soluciones a la falta de batería I● Batería de repuesto: es la opción más sencilla, si el

dispositivo dispone de batería extraíble, es comprar una segunda batería.

● Batería externa: podemos cargar varios teléfonos o gadgets. Una batería de este tipo se conecta vía USB a nuestros smartphones, y que nos permiten dar vida extra a nuestros teléfonos.

● Cargador para el coche: permite conectar el móvil y otros dispositivos a la toma de 12 voltios del coche.→ La mayor parte de los vehículos actuales cuentan con entrada USB, lo que poco a poco va a relegar a estos gadgets al olvido.

Soluciones a la falta de batería II● Cargador solar: permite transformar la energía solar

fotovoltaica en energía eléctrica que pueda ser utilizada por los dispositivos eléctricos. Los sistemas más habituales emplean mochilas con paneles solares que acumulan la energía en pequeñas baterías que luego se emplean para recargar el teléfono.

● Cargador para bicicletas: a modo de dinamo carga una pequeña batería extraíble que se ha llenado de energía gracias a la fuerza de nuestro pedaleo, y con la que gracias a ella luego podemos recargar la batería de nuestro teléfono.

● Estufa cargador: CampStove es una pequeña estufa de leña que puede transformar parte de la energía proporcionada por el fuego en electricidad para cargar los dispositivos mediante una conexión USB. → Campaña de Kickstarter: BioLite BaseCamp Stove

● Cargador a pilas: este método busca recargar la batería del móvil mediante pilas corrientes. A pesar de no ser un método muy eficiente, esta fuente de alimentación es fácil de encontrar y garantiza la energía suficiente para establecer comunicación en situaciones de emergencia. → Campaña de Kickstarter: USB-U Portable USB Charger

Soluciones a la falta de batería III

Soluciones a la falta de batería IV● Cargador manual: a modo de pequeña turbina manual

podemos dar energía para que se acumule en una batería y se pueda recargar el teléfono. → Campaña de Kickstarter: SOSCharger.

● Enchufe, batería y cargador todo en uno: promete fusionar el cargador y la batería en un mismo dispositivo. Así, mientras el aparato está enchufado a la corriente, además de alimentar el dispositivo móvil, carga una batería interna que proporciona un extra de energía al teléfono cuando no se dispone de un enchufe.→ Campaña de Kickstarter: Energy 2K by TYLT.

Soluciones a la falta de batería V● Cargador por energía cinética: La idea consiste

básicamente en aprovechar el movimiento del usuario para desplazar unos imanes dentro de un sistema de inducción magnética.

Este método se ha presentado recientemente a través de un producto llamado Ampy.La corriente que se genera se almacena en una batería de litio de 1.000 mAh y puede usarse para cargar el smartphone a través del clásico puerto USB.A día de hoy, se encuentra en busca de financiación en Kickstarter. AMPY: Power your devices from your motion.

Referencias● Tipos de baterías y características

○ http://www.securame.com/baterias-de-liion-ventajas-desventajas-mantenimiento-a-54.html○ http://laboratorios.fi.uba.ar/lse/sase/2010/slides/SASE-2010_-Baterias_-Li-ion--Li-poly_-

Teijeiro.pdf○ http://www.eneralca.com.ar/EAProductNiCd.htm○ http://www2.elo.utfsm.cl/~elo383/apuntes/PresentacionBaterias.pdf○ http://centrodeartigo.com/articulos-utiles/article_114236.html○ http://centrodeartigo.com/articulos-educativos/article_10005.html

● Mantenimiento y consejos para el cuidado de baterías○ http://www.xatakamovil.com/varios/baterias-tipos-mitos-y-verdades-i○ http://andro4all.com/2013/12/cuidar-y-gestionar-bateria-android7

● Soluciones a la falta de batería○ https://www.kickstarter.com○ http://www.htcmania.com○ http://www.anexom.es/servicios-en-la-red/herramientas/11-alternativas-para-cargar-tu-

smartphone-cuando-tienes-un-enchufe-mano/