Hidruros metálicos para aplicaciones de baterías de níquel-hidruro metálico

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 compuestos de hidruros metálicos se forman cuando el hidrógeno entra en contacto con los metales. Estos compuestos tienen un excelente potencial para absorber y emitir gas hidrógeno. Esto ha hecho que los compuestos de hidruro metálico sean muy importantes cuando se trata de productos de hidruro metálico de níquel. Actualmente, estos compuestos se utilizan para alimentar coches híbridos, aparatos electrónicos y cualquier aplicación que requiera pilas recargables.

Comparación de tipos de pilas

Hoy en día existen varios tipos de pilas.

Por ejemplo, las pilas de Níquel-Metal-Hidrato funcionan según un principio diferente al de las pilas de Níquel-Cadmio. Las pilas de Níquel-Cadmio contienen cadmio. Suelen ser conocidas como pilas con memoria. Las pilas de Níquel-Metal-Hidrato contienen hidruro metálico. Estas pilas tienen menos pérdida de memoria.

Existen otras opciones. Las pilas de iones de litio son una alternativa. Tienen una gran capacidad, pero hay que tener en cuenta que deben recargarse con mucho cuidado. Las baterías de plomo-ácido son muy pesadas.

Los hidruros metálicos, en las aplicaciones de las baterías de hidruro metálico de níquel, proporcionan el equilibrio necesario entre densidad energética y seguridad. Con el tiempo, los ingenieros han preferido utilizar los sistemas de hidruros metálicos en diversas aplicaciones.

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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 e 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, habitual 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 vida útil 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 el núcleo de las pilas de hidruro metálico de níquel, las reacciones electroquímicas se utilizan para la producción de energía eléctrica. Aquí, el hidruro metálico se utiliza para el almacenamiento de átomos de hidrógeno. Cuando la pila está en estado de descarga, los iones de hidrógeno se alejan del hidruro metálico y se dirigen al electrodo de óxido de níquel. Durante el movimiento, los electrones también viajan por el circuito externo.

Durante la carga, se produce el proceso inverso. Los átomos de hidrógeno vuelven a la estructura metálica. La reacción es reversible. Esta propiedad hace que la pila sea muy práctica. La pila puede reutilizarse. El mecanismo de reacción ha demostrado su eficacia en varios estudios de investigación.

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.