Como he abordado en el post anterior, las necesidades de consumo de baterías es especialmente grande, principalmente porque la electricidad es muy difícil de almacenar, y estos dispositivos químicos nos brindan una manera de por llevar con nosotros la electricidad y utilizar un aparato electrónico sin necesidad de conexión a un tomacorriente.
Y en el juego de las baterías entran también las de níquel-hidruro metálico, o NiMH como se abrevian; es un tipo de tecnología más avanzada que está ocupando cada vez más espacio dentro del mercado de las baterías recargables, quitándole terreno a las baterías de níquel-cadmio cuya tecnología domino por mucho tiempo el espacio de las baterías con aplicaciones de carga y descarga, y están compitiendo con las baterías de iones de litio.
Batería de NiMH tipo AA. Fuente: @emiliomoron.
¿Qué es una batería NiMH?
Esta es un tipo de batería recargable que utiliza un ánodo de oxihidróxido de níquel, y que a diferencia de la batería de níquel-cadmio, esta posee una aleación de hidruro metálico, lo que permite eliminar el cadmio, el cual es un metal pesado peligroso para el ambiente.
Cada batería de NiMH entrega hasta 1,2 V, su capacidad oscila entre 0,8 y 2,9 amperio-hora y su densidad de energía es de 100 Wh/Kg, con ciclos de carga que pueden variar desde 500 hasta 2000[1]; lo cual es de dos a tres veces más que las de Ni-Cd.
Desarrollo
Las baterías de NiMH destinadas al mercado de los pequeños aparatos electrónicos domésticos salieron al mercado en 1989, se desarrollaron a partir de los dispositivos a base de NiH2, un tipo de batería con una larga vida útil desarrollado en los años 70, razón por la cual se usaron en satélites espaciales[1], donde es necesario que las baterías duran décadas.
Pero el problema de las baterías de NiH2 era su tamaño y facilidades, ya que requieren de un tanque especial para almacenar hidrogeno. Pero gracias al desarrollo de los electrodos de alta energía junto con el desarrollo de electrodos de aleaciones hibridas, permitieron solucionar este problema y dar pie a la creación de la batería NiMH, mediante el almacenamiento del hidrogeno a través de la aleación con un metal; lo que a su vez resulta el punto débil de la tecnología, ya que la aleación se corroe y va consumiendo el electrolito, lo que causa el deterioro de la batería[2].
Una variante de esta batería se introdujo en el mercado en 2005, presentando una baja tasa de autodescarga, de manera que se mantiene cargada por mucho más tiempo cuando no está en uso. Esto se logró mediante mejoras en el separador de los electrodos, por lo demás el diseño es muy similar a la pila NiMH convencional. Estos mejores separadores mantienen aislados a los electrodos para disminuir la tasa de autodescarga a la vez que permiten el flujo de carga durante el uso de la batería, lo cual es necesario para cerrar el circuito y permitir el paso de la corriente eléctrica[1].
¿Cómo funcionan?
Su funcionamiento es muy similar a las baterías de Ni-Cd, el material activo del terminal positivo está constituido por oxihidróxido de níquel (NiOOH) pero el material activo que constituye el terminal negativo es hidrogeno en forma de hidruro metálico, lo que permite almacenar el hidrogeno producido durante la carga y liberarlo durante la descarga [15]. Este tipo de electrodo es el responsable de que se logre aportar mayor capacidad por unidad de volumen en comparación con una batería de Ni-Cd. Una forma común de la aleación metálica (M) en las baterías de NiMH es una aleación conformada por una mezcla de hidruro de circonio o titanio con otro metal como níquel, cobalto o aluminio. Y el electrólito de estas baterías está constituido principalmente por hidróxido de potasio, lo que también la hace un tipo de pila alcalina.
Una batería de NiMH está compuesta de una placa positiva que contiene el oxihidróxido de níquel, una placa negativa compuesta de alguna aleación capaz de absorber hidrógeno (MH), un separador elaborado de una fina fibra, un electrolito básico (usualmente KOH), una carcasa de metal y con cierre hermético.
Interior de una batería NiMH de tipo AA: 1. Carcasa metálica (también terminal negativo), 2. Separador 3. Electrodo positivo 4. Electrodo negativo, con colector de corriente (parrilla metálica, conectado al recubrimiento metálico). Fuente: Wikipedia.com, CC0.
Reacciones
El material activo del electrodo positivo cuando está cargada la batería es el oxihidróxido de níquel (NiOOH), mientras que el material activo en el electrodo negativo es hidrógeno en forma de hidruro metálico (MH).
Las reacciones químicas que se producen en este sistema se pueden representar de la siguiente forma.
Electrodo negativo:
Electrodo positivo:
Reacción general:
La reversibilidad de esta reacción química es lo que determina propiamente la propiedad de recargable de este tipo batería. Cuando conectamos la batería a un circuito, es decir, cuando se produce la descarga, las reacciones van de izquierda a derecha, y el hidrogeno contenido en la aleación del hidruro metálico se libera y reacciona con el oxihidróxido de níquel, este se reduce a hidróxido de níquel y el hidruro es oxidado al metal. Mientras que durante el ciclo de carga, la reacción se revierte; en el electrodopositivo el hidróxido de níquel reacciona con un ion oxhidrilo para restituir el NiOOH liberando agua y un electrón, y en el electrodo negativo la aleación metálica reacciona con el agua del electrolito y un electrón para regenerar al hidruro y al OH- del electrolito.
Esquema de carga y descarga de una batería NiMH. Fuente: imagen editada por @emiliomoron.
Aplicaciones
Algunas de las principales aplicaciones para este tipo de baterías incluyen su uso para la propulsión de vehículos eléctricos, como en el General Motors EV1 y en vehículos híbridos como el Toyota Prius.
Batería NiMH del Toyota Prius. Fuente: Wikipedia.com, imagen CC0.
Las baterías de NiMH son ampliamente utilizadas en los aparatos electrónicos domésticos, las podemos encontrar de forma individual en los tamaños estándar como AA y AAA, las cuales requieren de un cargador específicos para este tipo de batería, como el de la siguiente imagen.
Cargador para baterías NiMH. Fuente: @emiliomoron.
También podemos encontrar varias celdas empacadas, para brindar mayor voltaje, siendo muy común esta presentación para equipos de comunicación, como radios y teléfonos inalámbricos.
Baterías empacadas de radios portatiles. Fuente: @emiliomoron.
Impacto ambiental
La mayor capacidad de ciclos de carga que soportan estas baterías nos permiten utilizarlas por mayor tiempo en comparación con las baterías comunes, lo que evita que consumamos más pilas y generemos más residuos; y aunque estas baterías resuelven el problema del cadmio que presentan las baterías de Ni-Cd, igual representan un riesgo para el ambiente y no deben ser desechadas junto a los residuos domésticos, recordemos que también utilizan hidróxido de potasio como electrolito, una solución alcalina corrosiva. Las etiquetas recomiendan su reciclado o disposición apropiada, el problema es que en muchos países no existen centros de recolección especializados en su reciclaje.
Pictogramas de reciclaje en una batería NiMH. Fuente: @emiliomoron.
Conclusión y aporte
La tecnología de las baterías de Ni-MH se utiliza ampliamente en baterías recargables, ha demostrado eficiencia y estabilidad en mayor cantidad de ciclos de carga, además, de que vinieron a resolver el problema del cadmio generado por las baterías de Ni-Cd, con lo que le han quitado terreno a estas en el mercado de las baterías recargables.
Con el post se presentan las ecuaciones químicas que permiten dar a conocer como es el funcionamiento de esta batería recargable, bien sea para que el público en general conozca el principio que hace posible esta tecnología o para realizar una discusión didáctica con un grupo de estudiantes de química básica sobre las aplicaciones prácticas que tienen las ecuaciones de óxido-reducción en aparatos de uso cotidiano.
Bueno amigos, es todo por los momentos, muchas gracias por leer el post espero les haya gustado. ¡Hasta el próximo!
Referencias
- Wikipedia.com. Batería de níquel metal hidruro
- Ecoinventos. Las baterías de NiMH duran mucho tiempo, las investigaciones apuntan a la inmortalidad
Las formulas, reacciones y estructuras químicas indicadas fueron elaboradas por el autor en Microsoft PowerPoint.
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