Hidruros metálicos para aplicaciones de baterías de níquel-hidruro metálico

Descripción

Los hidruros metálicos desempeñan un papel fundamental en las pilas de níquel e hidruro metálico. Ayudan a almacenar y liberar hidrógeno. Su uso mejora el rendimiento y la seguridad de las pilas.

Los hidruros metálicos son compuestos que se forman cuando el hidrógeno se une a los metales. Estos compuestos tienen una gran capacidad para absorber y liberar hidrógeno. Esto los convierte en una parte crucial de los sistemas de hidruros metálicos de níquel. Hoy en día, los hidruros metálicos se utilizan en vehículos híbridos, electrónica de consumo y otros campos en los que se necesitan baterías recargables.

Comparación de tipos de pilas

Hoy en día existen muchos tipos de pilas.

Por ejemplo, las pilas de níquel-hidruro metálico funcionan de forma diferente a las pilas de níquel-cadmio. Las pilas de níquel-cadmio utilizan cadmio y son conocidas por sus efectos memoria. Las pilas de níquel e hidruro metálico utilizan hidruros metálicos y muestran menos pérdida de memoria.

Las pilas de iones de litio son otra opción. Ofrecen una gran capacidad, pero requieren un cuidado especial durante la carga. Las baterías de plomo-ácido son pesadas y necesitan mantenimiento. Cada tipo de batería tiene sus puntos fuertes y débiles.

En las aplicaciones de baterías de hidruro metálico de níquel, los hidruros metálicos ofrecen un buen equilibrio entre densidad de energía y seguridad. A lo largo de los años, los ingenieros han preferido los sistemas de hidruro metálico para muchos usos portátiles y de automoción.

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Estructuras cristalinas de los materiales de las baterías de níquel-hidruro metálico

La estructura cristalina de los materiales de las baterías de níquel-hidruro metálico es muy importante. La disposición de los átomos influye en la capacidad de almacenamiento y liberación del hidrógeno. Muchos materiales de las pilas de níquel-hidruro metálico siguen una estructura AB5. En este modelo, el hidruro metálico está formado por un elemento de tierras raras o metales de transición y otros cinco átomos metálicos. Esta estructura crea espacios para que se asienten los átomos de hidrógeno.

Los ingenieros y científicos miden estos cristales y utilizan la difracción de rayos X. Con mediciones cuidadosas, pueden saber cuánto hidrógeno se puede absorber. Esta estructura ofrece una buena reversibilidad y estabilidad.

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Estructuras cristalinas de los materiales de las pilas (AB5, AB2, etc.)

En las pilas de níquel-hidruro metálico (NiMH), la estructura cristalina de la aleación que absorbe el hidrógeno desempeña un papel clave en la determinación del rendimiento. Entre las más estudiadas se encuentran las estructuras de tipo AB₅ y AB₂, donde "A" y "B" se refieren a distintos componentes metálicos. Estos materiales son esenciales en aplicaciones que requieren ciclos de larga duración, gran capacidad de hidrógeno y un comportamiento eficiente de carga y descarga, propiedades cruciales para los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) y los vehículos eléctricos (EV).

La estructura de tipo AB₅, común en las baterías de NiMH, suele incorporar elementos de tierras raras en el sitio A y metales de transición en el sitio B. Esta estructura proporciona una combinación bien equilibrada de elementos de tierras raras y metales de transición. Esta estructura ofrece una combinación equilibrada de capacidad de almacenamiento de hidrógeno y cinética favorable, lo que la convierte en una opción fiable para aplicaciones de consumo y automoción. Por ejemplo, las baterías selladas de NiMH utilizadas en el Toyota™ Prius (modelos II-V) se basan en materiales de tipo AB₅ y han demostrado una duración de hasta 240.000 kilómetros, según las pruebas de laboratorio del fabricante.¹⁹

Por otro lado, las estructuras de tipo AB₂ también constan de dos componentes metálicos, pero ofrecen características electroquímicas ligeramente diferentes. Aunque las aleaciones AB₂ pueden presentar capacidades de hidrógeno superiores, su estabilidad de fase y su resistencia a la degradación durante los ciclos pueden variar, dependiendo de la composición y la microestructura.

En la investigación de pilas, tanto los hidruros AB₅ como los AB₂ se analizan minuciosamente en función de sus parámetros reticulares, transformaciones de fase y estabilidad térmica, ya que incluso pequeños ajustes en los elementos de aleación pueden afectar significativamente al rendimiento y la vida útil. Estos compuestos, ahora denominados "hidruros clásicos", siguen siendo muy importantes. Mediante la microaleación de los metales de los sitios A y B, los investigadores han podido mejorar la estabilidad electroquímica y prolongar aún más la vida útil de los ciclos, convirtiéndolos en firmes candidatos para la próxima generación de baterías NiMH de alto rendimiento.

Reacciones electroquímicas en las pilas de níquel-hidruro metálico

En las pilas de hidruro metálico de níquel, las reacciones electroquímicas son el núcleo de la generación de energía. El hidruro metálico almacena átomos de hidrógeno. Cuando la pila se descarga, los iones de hidrógeno se alejan del hidruro metálico. Se desplazan hasta el electrodo de óxido de níquel. En este proceso, los electrones fluyen en el circuito externo. La pila produce corriente eléctrica para los dispositivos.

Durante la carga, ocurre lo contrario. Los átomos de hidrógeno vuelven a la estructura metálica. Las reacciones son reversibles. Esta reversibilidad añade comodidad. La pila puede utilizarse varias veces. En muchos estudios, este sencillo mecanismo de reacción ha demostrado su fiabilidad y eficacia.

Conclusión

Los hidruros metálicos constituyen una parte vital de las aplicaciones de las pilas de hidruro metálico de níquel. Mejoran el rendimiento y la estabilidad. Sus estructuras cristalinas únicas ayudan a almacenar y liberar energía. Las reacciones electroquímicas son sencillas. Los beneficios sociales incluyen sistemas energéticos más seguros y un menor impacto medioambiental.

Preguntas más frecuentes

F: ¿Qué papel desempeñan los hidruros metálicos en estas pilas?
P: Absorben y liberan hidrógeno para ayudar a gestionar la energía de la pila.

F: ¿Cómo afectan las estructuras cristalinas al rendimiento de las pilas?
P: Determinan lo bien que se almacena y libera el hidrógeno en los electrodos.

F: ¿Por qué las pilas de níquel-hidruro metálico son las preferidas en los vehículos híbridos?
P: Proporcionan una buena densidad de energía, seguridad y fiabilidad a la vez que reducen el daño medioambiental.