A grandes rasgos, una batería consiste en 2 terminales, uno positivo y uno negativo. Si conectamos ambas terminales por un cable, los electrones comenzarán a circular a través de todo el sistema.
Las baterías consisten en un recubrimiento metálico (capa externa), dentro del recubrimiento se encuentra un cátodo que conecta la terminal positiva y un ánodo que conecta la terminal negativa.
Estos componentes, comúnmente llamados "electrodos" ocupan la mayor cantidad del espacio dentro de la batería y es donde las reacciones químicas ocurren.
El ánodo y el cátodo están separados por una barrera que previene que se toquen durante la reacción química, el separador recibe el nombre de "electrolito" y permite que la carga eléctrica fluya entre el cátodo y el ánodo.
El colector expulsa la corriente fuera de la batería.
Conceptos básicos
Conceptos básicos para entender a una batería:
- Energía específica: es la cantidad de energía que la batería puede almacenar por unidad de peso. Cuanto más alta, mejor.
- Potencia específica: es la potencia que la batería puede suministrar por unidad de peso. De nuevo, cuanto mayor es esta cifra, más aplicaciones posibles tiene la batería.
- Eficacia (%): es la fracción de electricidad que devuelve la batería en proporción a la cantidad de electricidad que ha sido necesaria para cargarla. Cuanto más alta, mejor, idealmente el 100%. También es importante que una batería mantenga su eficacia en función del tiempo de almacenamiento.
- Número de ciclos de carga-descarga: es el número de veces que la batería puede ser recargada para recobrar su capacidad completa después de su uso. Es una indicación de la duración de vida de la batería. De nuevo, cuanto más alto, mejor.
- Tiempo de recarga normal: es el tiempo necesario para recargar completamente la batería. Cuanto más corto, mejor.
- Tiempo de recarga rápida (50% y 99%): estos son los tiempos necesarios para recargar la batería a la mitad o al 99% de su capacidad. Esta característica es útil solamente si la recarga de la batería es lenta. Por supuesto, cuanto más corto sea este tiempo, mejor.
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.
Tipos de baterías
Existen 3 tipos principales de baterías recargables de uso doméstico:
Níquel Cadmio (NiCd)
Fueron muy utilizadas hace algunos años, en la actualidad han sido casi eliminadas en su totalidad del mercado debido al Cadmio.
El cadmio es un elemento tóxico, y fue prohibido para la mayoría de los usos por la Unión Europea en 2004.
Son las llamadas "baterías con memoria" y de ellas surgió el mito actual de tener que cargar las baterías por 12 horas cuando son nuevas, y de tener que descargarlas en su totalidad para poder volverlas a cargar.
Su vida útil se mide en ciclos, es decir: 1 ciclo = 1 carga y descarga.
La vida media de las baterías de de 1000 a 1500 ciclos en condiciones estándar.
Níquel Hidruro Metálico
Es la evolución de las baterías NiCd y elimina el cadmio que, además de tóxico, es más costoso.
Estás baterías poseen una mayor capacidad de carga, entre 2 y 3 veces más que las baterías NiCd y presentan en menor medida el efecto de Memoria.
Poseen un ciclo de autodescarga más veloz que las baterías NiCd.
Su vida es menor, entre 500 y 700 ciclos y uno de los inconvenientes es el sobrecalentamiento de las mismas.
Iones de Litio
A pesar de su uso extendido, aún son un producto que se encuentra en anáisis y desarrollo, su fabricación madura con la evolución de la misma tecnología.
Son baterías mucho más pequeñas y ligeras con una alta capacidad de carga por unidad de peso y volumen.
El efecto memoria no existe en éste tipo de baterias y tienen la capacidad de operar despues de un elevado número de ciclos de carga y descarga.
Proporcionan altos voltages de funcionamiento.
Permiten medir fácilmente la carga actual que tienen.
Se autodescargan muy lentamente
A pesar de todas las maravillas que nos otorgan, son baterías que se degradan muy rápido y son sensibles a las altas temperaturas
Además son más costosas de fabricar y también sufren del problema de sobrecalentamiento con el cual pueden inflamarse y explotar.
El Efecto Memoria y Pasivación
Las baterías modernas de Li-Ion (Iones de Litio) no sufren efecto memoria pero si el de pasivación.
El efecto memoria es un fenómeno que reduce la capacidad de las baterías con cargas incompletas. Se produce cuando se carga una batería sin haber sido descargada del todo: se crean unos cristales en el interior de estas baterías, a causa de una reacción química al calentarse la batería, bien por uso o por las malas cargas. Para prevenirlo no hace falta esperar a descargar totalmente la batería antes de realizar una carga; basta con que una de cada pocas cargas sea completa.
Entre las baterías que se ven afectadas por el efecto memoria se encuentran la batería de níquel cadmio (NiCd) y, en menor grado, la batería de níquel e hidruro metálico (NiMH). Por el contrario, las baterías de plomo y ácido o las de iones de litio apenas se ven afectadas por el mismo.
Incluso en la baterías sin efecto memoria se recomienda una descarga completa seguida de una carga completa cada cierto tiempo. En las baterías de litio se recomienda efectuarla mensualmente, si se utilizan con asiduidad.
Otro fenómeno similar que afecta a las baterías de ión de litio es la pasivación que se produce cuando se deja la batería mucho tiempo sin usar o se hacen pequeñas cargas. La carga y descarga completa soluciona este efecto. La pasivación es una fina película de cloruro de litio (LiCl) en la superficie del ánodo (incluso es beneficiosa ya que evita su autodescarga). Va desapareciendo conforme la batería va siendo usada. Si la pasivación es excesiva, podría caer el voltaje por debajo del funcionamiento, si la energía requerida al principio de funcionamiento es muy grande (la pasivación se puede considerar como una resistencia interna de la batería), sólo entonces serían necesarias cargas y descargas. Es un fenómeno (poco documentado) que parece que se está dando bastante entre usuarios de cámaras digitales, sobre todo las Sony.
Cuidados
Las baterias recargables son muy delicadas, existen muchos mitos sobre sus cuidados y uso, sin embargo, nada puede evitar que se deterioren lamentablemente.
Existen algunas recomendaciones sencillas que se pueden seguir para extender un poco su vida.
- 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.
- En las baterías de Li-Ion, la primera carga no es decisiva en cuanto a su duración y no es preciso hacerla; el funcionamiento de una batería de ion 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.
- Existen también bolsas especiales en donde se las guarda al momento de cargarlas en caso de que se incendien ya que estas baterías son muy delicadas.
Ejemplos Uso de Bateria en Dispositivos Móviles
¿Cómo se gasta la bateria?
- Modo avión: 2 mA
- Modo espera 3G / EDGE: 5 mA
- Modo espera WIFI: 12 mA
- LCD normal: 90 mA
- CPU 50% - 100%: 110 mA
- Sensores: 80 mA
- GPS: 85 mA
- 3G transferencia máxima: 150 mA
- EDGE transferencia máxima: 250 mA
- WIFI transferencia máxima: 275 mA
Ahora, suponiendo que tenemos una batería con una capacidad de 1150mAh. Si dividimos este valor entre el consumo que tiene cada actividad podremos estimar la duración de la batería realizando esa actividad de forma contínua.
- Ver Youtube: 340 mA = 3,4 horas
- Navegar por la Web usando 3G: 225 mA = 5 horas
- Uso típico: 42 mA (de media) = 32 horas
- EDGE en modo espera: 5 mA = 9,5 días
- Modo avión en espera: 2 mA = 24 días
¿Qué es lo que más consume?
En todo lo alto de la lista están los procesos que se ejecutan cuando el teléfono está en modo espera. Tomemos como ejemplo una aplicación que se despierta cada 10 minutos para actualizar sus datos y que tarda 8 segundos en realizar esta labor con un consumo de 350 mA.
Consumo estimado en una hora:
- 3600 segundos * 5 mA = 5 mAh (en espera)
- 6 veces * 8 segundos * 350 mA = 4,6mAh (actualizándose)
El consumo de la bateria durante 48 segundos de actualizacion es equivalente a 1 hora en modo espera.
Y esto no es todo, cada vez que actives tu servicio, desencadenarás la ejecución de otros (para aprovechar la activación de los elementos del dispositivo, que se encuentra en modo espera). Al final, despertamos a nuestro dispositivo para ejecutar un servicio (aplicación) durante 8 segundos y permanece trabajando (en backgrond) entre 15 y 20 segundos.
Otras cosas que consumen bastante batería son las transferencias largas de datos. Descargar 6MB:
- EDGE (90 kbps): 300 mA * 9,1 minutos = 45 mAh
- 3G (300 kbps): 210 mA * 2,7 minutos = 9,5 mAh
- WIFI (1 Mbps): 330 mA * 48 segundos = 4,4 mAh
Referencias
9 para el lab de móviles
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