miniatura| Banco de baterías para un sistema de alimentación ininterrumpida en un centro de datos.
Una pila (una celda) o batería (varias celdas) recargable (también llamada acumulador recargable) es un grupo de una o más celdas electroquímicas secundarias.
Nombre Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos del estudio de la electricidad, cuando se juntaban varios elementos o celdas —en el primer caso uno encima de otro, "apilados", y en el segundo adosados lateralmente, "en batería"— como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente.
En castellano ha sido costumbre llamar batería a los dispositivos recargables, mientras que a los no recargable se ha venido llamando pila, aunque hoy día no se hace tal distinción; más bien se utilizan uno u otro término en función de su forma y tamaño. No obstante, se entiende que las baterías poseen dos o más celdas de energías y las pilas son de una sola celda de energía.
Funcionamiento Las baterías recargables usan reacciones electroquímicas que son eléctricamente reversibles, es decir: Cuando la reacción transcurre en un sentido, se agotan los materiales de la pila mientras se genera una corriente eléctrica. Para que la reacción transcurra en sentido inverso, es necesaria una corriente eléctrica para regenerar los materiales consumidos. Las baterías recargables vienen en diferentes tamaños y emplean diferentes combinaciones de productos químicos. Las celdas secundarias ("batería recargable") utilizadas con más frecuencia son las de plomo-ácido, la de níquel-cadmio (NiCd), la de níquel-metal hidruro (NiMH), la de iones de litio (Li-ion), y la de polímero de iones de litio (polímero de Li-ion).
Las baterías recargables pueden ofrecer beneficios económicos y ambientales en comparación con las pilas desechables. Algunos tipos de baterías recargables están disponibles en los mismos tamaños que los tipos desechables. Aunque las pilas recargables tienen un mayor costo inicial, pueden ser recargadas muchas veces. La selección adecuada de una batería recargable puede reducir los materiales tóxicos desechados en los vertederos, frente a una serie equivalente de pilas de un solo uso. Por ejemplo, los fabricantes de baterías o pilas recargables de NiMH proclaman una vida de servicio de 100-1000 ciclos de carga/descarga para sus baterías.
Usos y aplicaciones miniatura|derecha|300px|Automóvil eléctrico recargando la batería. Actualmente se utilizan pilas o baterías recargables para aplicaciones tales como motores de arranque de automóviles, dispositivos portátiles de consumo, vehículos ligeros (como sillas de ruedas motorizadas, carros de golf, bicicletas eléctricas y carretillas elevadoras eléctricas), herramientas y sistemas de alimentación ininterrumpida. También en nuevas aplicaciones como para vehículos eléctricos híbridos y vehículos eléctricos están impulsando la tecnología para reducir costos, reducir el peso y aumentar de la vida útil.David Linden, Thomas B. Reddy (ed). Handbook Of Batteries 3rd Edition. McGraw-Hill, New York, 2002 chapter 22
A diferencia de las pilas no recargables (celdas primarias), las baterías recargables tienen que ser cargadas antes de su primer uso, aunque algunas vienen recargadas de fábrica. La necesidad de cargar las pilas recargables antes de su uso disuade a los posibles compradores que quieran usar las pilas inmediatamente. Sin embargo, las nuevas baterías de baja autodescarga permiten a los usuarios comprar una batería recargable que ya tienen cerca del 70% de su capacidad nominal, permitiendo a los consumidores utilizar las baterías inmediatamente y regenerarlas (recargarlas) más tarde hasta el 100% de su capacidad.
Hay aplicaciones de almacenamiento de energía en red que emplean baterías recargables industriales para nivelación de carga, almacenando la energía eléctrica durante períodos de carga máxima para su posterior uso, y para aprovechamiento de energías renovables, tales como el almacenamiento de energía generada a partir de paneles fotovoltaicos durante el día para ser utilizada durante la noche. Al cargar las baterías durante los períodos de baja demanda y devolver la energía a la red durante los períodos de alta demanda eléctrica, la nivelación de carga ayuda a eliminar la necesidad de costosas plantas de energía en horas punta y ayuda a amortizar el costo de los generadores durante las horas de más funcionamiento.
La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de Estados Unidos ha estimado que la demanda de pilas recargables en EE.UU. está creciendo dos veces más deprisa que la demanda de las no-recargables (desechables).
Baterías externas
Las baterías externas para tabletas, smartphones y portátiles, reduce significativamente la dependencia de una fuente de electricidad externa (como un cargador de corriente alterna), porque la reemplaza, al menos temporalmente. De esta manera, el dispositivo móvil funciona como si estuviera conectado. La salida suele ser mini o micro-USB y USB TIPO C.
Para los teléfonos móviles actuales se utiliza una batería externa de al menos 3000mAh, ya que una batería externa no proporciona el 100% de su capacidad, debido a que se pierde parte de su energía en la transferencia y la conversión de voltaje.
Algunas baterías externas cuentan con paneles solares para uso al aire libre y con la posibilidad de que se le inserten usar pilas.
Carga y descarga Información adicional: Cargador de batería
Durante la carga, el material activo del electrodo positivo se oxida, liberando electrones, y el material del electrodo negativo es reducido, captando dichos electrones. Estos electrones constituyen el flujo de corriente eléctrica que atraviesa el circuito externo. El electrolito puede servir como un simple medio de transporte para el flujo de iones entre los electrodos, como en el caso de la batería de iones de litio y la batería de níquel-cadmio, o puede ser un participante activo en la reacción electroquímica, como en la batería de plomo-ácido.
derecha|Diagrama de la carga de una batería de celdas secundarias. miniatura|Cargador de baterías. miniatura|Un cargador solar de baterías recargables tipo AA.
La energía utilizada para cargar las baterías recargables en su mayoría proviene de corriente alterna de la red eléctrica, utilizando un rectificador (cargador). La mayoría de los cargadores de baterías pueden tardar varias horas para cargar una batería. La mayoría de las baterías pueden ser cargadas en mucho menos tiempo de lo que emplean los cargadores de baterías más comunes y simples. Duracell y Rayovac ahora venden cargadores que pueden regenerar o recargar baterías de NiMH tamaño AA y AAA en sólo 15 minutos; Energizer vende cargadores que pueden recargar baterías de tamaño C/D y baterías de NiMH de 9V. Sin embargo, las altas tasas de carga (por ejemplo, el empleo de cargadores de 15 minutos o cargadores de 1 hora) causarán daño a largo plazo en las baterías recargables de NiMH y en la mayoría de las otras.
Las baterías recargables son susceptibles a daños debido a recarga inversa (inversión de los polos) si están completamente descargadas. Existen cargadores de baterías totalmente integrados que optimizan la corriente de carga.
Además, el intento de recargar las pilas o baterías no recargables conlleva una pequeña posibilidad de causar una explosión de la pila.
Las baterías de flujo, también denominadas de líquido o de líquido recargable, se pueden recargar mediante el rellenado del líquido o bien la sustitución de todo el compartimento del electrolito líquido.
En las especificaciones técnicas de los fabricantes de la batería a menudo se refieren al parámetro VPC. VPC significa voltios por celda, y se refiere al voltaje de las celdas individuales que conforman la batería o celda secundaria. Por ejemplo, para cargar una batería de 12V (con 6 celdas de 2V cada una) a 2,3VPC se necesita una tensión de 6x2,3V = 13,8V a través de los terminales externos de la batería.
La mayoría de pilas de NiMH tipo AA o AAA disponen de celdas de 1,2V. No obstante, esto no es un problema en la mayoría de los dispositivos porque las pilas alcalinas sufren una caída de tensión cuando se agota la energía. La mayoría de los dispositivos están diseñados para seguir funcionando con un voltaje reducido de entre 0,9 y 1,1V.
Recarga inversa (polaridad invertida)
La recarga inversa daña las pilas, y se produce cuando una batería recargable se recarga con la polaridad invertida.
La recarga inversa se puede producir en una serie de circunstancias, siendo las tres más comunes las siguientes:
Cuando la batería está incorrectamente insertada en el cargador, con los polos al revés. Cuando un cargador de baterías de tipo automoción está conectado a la inversa a los terminales de la batería. Esto suele ocurrir cuando se está cargando una batería completamente descargada, de lo contrario se producirán chispas. Cuando las celdas están conectadas en serie y muy descargadas.
Cuando una celda se descarga completamente y no las demás, las celdas no descargadas aplicarán una corriente inversa a la celda descargada. Esto es comúnmente llamado "inversión de la celda". La inversión de celda acorta significativamente la vida de la célula afectada, por lo que acorta la vida en general de la batería. En algunos casos extremos, la célula revertida puede comenzar a emitir humo o incendiarse. Algunas células de tipo Ni-Cd presentan un efecto memoria. Algunas células de tipo Ni-Cd, que no se cargan y descargan completamente cada cierto tiempo pueden perder su capacidad de mantener una carga completa, es decir, presentan disminución de la capacidad. Reciclar una batería multicelda en descarga profunda para superar este efecto memoria puede causar reversión de células y hacer más daño que bien. En aplicaciones críticas que utilizan baterías de Ni-Cd, como en los aviones, cada célula se descarga individualmente mediante la conexión de un clip de carga en los terminales de cada célula, evitando así la inversión de célula para, a continuación, cargar las pilas en serie.
Profundidad de descarga
La profundidad de descarga se establece normalmente como un porcentaje de la capacidad nominal en amperios-hora; un 0% de profundidad de descarga significa que no hay descarga. Puesto que la capacidad utilizable de una batería depende de la velocidad de descarga y de la tensión admisible al final de la descarga, la profundidad de la descarga debe estar calificada para mostrar de qué forma se va a medir. Debido a las variaciones en la fabricación y el envejecimiento de la batería, la profundidad de descarga para la descarga completa puede cambiar con el tiempo y los ciclos de descarga. En general, un sistema de baterías recargable va a tolerar más ciclos de carga y descarga si la profundidad de descarga es más baja en cada ciclo.Reddy, Handbook of Batteries page 22-20
Componentes activos Los componentes activos de una celda secundaria son los productos químicos que componen los materiales activos de los electrodos positivo y negativo, y el electrolito. Los electrodos positivo y negativo contienen diferentes materiales: en el positivo se presentan materiales con un potencial de reducción alto o positivos; en el negativo tendremos materiales con potencial de oxidación bajo o negativos. La diferencia de estos potenciales es el potencial estándar de celda o fuerza electromotriz (ε) o tensión de la pila.
En las células primarias los electrodos positivo y negativo son conocidos como cátodo y ánodo, respectivamente. Aunque este convenio se traslada a veces a los sistemas recargables —especialmente las pilas de iones litio, a causa de su origen en las celdas de litio— esta práctica puede llevar a confusión. En las pilas recargables el electrodo positivo es el cátodo en la descarga y el ánodo en la carga, y viceversa para el electrodo negativo.
Tablas de baterías recargables