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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA
FUNDACIÓN MISIÓN SUCRE
ALDEA UNIVERSITARIA “MAC GREGOR II”
SAN FERNANDO-EDO. APURE
ELECTRICIDAD
PROFESOR: PARTICIPANTES:
LUIS PALMERO AGUILAR YONSKAR
CEBALLOS WILMER
RIVERO YUNIOR
ROJAS EDUARD
SAN FERNANDO ESTADO APURE
BATERÍA:
Se denomina batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o
simplemente acumulador, al dispositivo que consiste en una o más celdas
electroquímicas que pueden convertir la energía química almacenada en
electricidad. Cada celda consta de un electrodo positivo, o ánodo y un
electrodo negativo, o cátodo y electrolitos que permiten que los iones se
muevan entre los electrodos, facilitando que la corriente fluya fuera de la
batería para llevar a cabo su función.
Las baterías vienen en muchas formas y tamaños, desde las celdas
en miniatura que se utilizan en audífonos y relojes de pulsera, a los bancos
de baterías del tamaño de las habitaciones que proporcionan energía de
reserva a las centrales telefónicas y ordenadores de centros de datos.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA BATERÍA:
El principio de funcionamiento de un acumulador está basado
esencialmente en un proceso químico reversible llamado reducción-
oxidación (también conocida como redox), un proceso en el cual uno de los
componentes se oxida (pierde electrones) y el otro se reduce (gana
electrones); es decir, un proceso cuyos componentes no resulten
consumidos ni se pierdan, sino que meramente cambian su estado de
oxidación y, que a su vez pueden retornar a su estado original en las
circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, en el caso de los
acumuladores, el cierre del circuito externo, durante el proceso de descarga,
y la aplicación de una corriente, igualmente externa, durante la carga.
Resulta que procesos de este tipo son bastante comunes en las
relaciones entre los elementos químicos y la electricidad durante el proceso
denominado electrólisis, y en los generadores voltaicos o pilas. Los
investigadores del siglo XIX dedicaron numerosos esfuerzos a observar y a
esclarecer este fenómeno, que recibió el nombre de polarización.
Un acumulador es, así, un dispositivo en el que la polarización se
lleva a sus límites alcanzables, y consta, en general, de dos electrodos, del
mismo o de distinto material, sumergidos en un electrolito.
HISTORIA DE LA BATERÍA:
El 20 de marzo de 1800, Alessandro Volta comunica su invento de la
pila, que actualmente lleva su nombre, a la Royal Society. Tres años
después, en 1803, Johann Wilhelm Ritter construyó su acumulador eléctrico.
Como muchos otros que le siguieron, era un prototipo teórico y experimental,
sin posible aplicación práctica. Ya en 1836 John Frederic Daniell inventa la
pila Daniell, a partir de la pila de Volta, pero que evita la acumulación de
hidrógeno. Poco después, en 1844, evolucionada y aumentada de potencia
por William Robert Grove que inventa la pila homónima. Fue muy empleada
en las redes telegráficas de Estados Unidos hasta 1860.
En 1860, Gaston Planté construyó el primer modelo de batería de
plomo y ácido con pretensiones de ser un dispositivo utilizable, lo que no era
más que muy relativamente, por lo que no tuvo éxito. A finales del siglo XIX,
sin embargo, la electricidad se iba convirtiendo rápidamente en artículo
cotidiano, y cuando Planté volvió a explicar públicamente las características
de su acumulador, en 1879, tuvo una acogida mucho mejor, de modo que
comenzó a fabricarse y ser utilizado casi inmediatamente, iniciándose un
intenso y continuado proceso de desarrollo para perfeccionarlo y evitar sus
deficiencias, proceso que dura, todavía, en las primeras décadas del siglo
XXI.
En 1887, Carl Gassner patentó la denominada pila seca, ya que no
tiene un electrólito líquido libre, sino una pasta de yeso de París.
Paralelamente, en 1887 Federico Guillermo Luis Hellesen desarrolló su
propio diseño de pila seca. Se ha afirmado que el diseño de Hellesen
precedió al de Gassner. La primera pila fabricada industrialmente para el
público en general surgió del modelo de Gassner, sustituyendo el yeso de
París por cartón en espiral y con los electrodos de cinc y carbono.
Acabando el siglo XIX, en 1899, el científico sueco Waldemar Jungner
inventó el acumulador de níquel-cadmio (Ni-Cd), una batería recargable que
tenía electrodos de níquel y cadmio en una disolución de hidróxido de
potasio (potasa cáustica, KOH). Se comercializó en Suecia en 1910 y llegó a
Estados Unidos en 1946. El propio Jungner experimentó para sustituir el
cadmio por hierro en diferentes proporciones, trabajo que fue recogido
posteriormente por Thomas Alva Edison, quien, basándose en el trabajo del
primero, patentó en 1903 otro tipo de acumulador con electrodos de hierro y
níquel, cuyo electrolito era, también, el hidróxido de potasio. Empezaron a
comercializarse en 1908 y aún se producen, tanto los modelos originales
como modelos evolucionados de otros fabricantes.
A mediados del siguiente siglo, en 1955, el ingeniero Lewis Urry,
intentando encontrar una manera de aumentar la vida útil de las pilas de
cinc-carbono, modificó los electrodos llegando al desarrollo de las conocidas
como pilas alcalinas, aunque con una fabricación de mayor coste. La batería
de Urry se componía de un cátodo de dióxido de manganeso y un ánodo de
cinc en polvo con un electrolito alcalino. Estas pilas salieron al mercado en
1959.
La experimentación con baterías de litio comenzó en 1912 con G. N.
Lewis, pero hasta la década de 1970 no se comercializaron las primeras. Se
emplean actualmente diversas pilas con litio en el ánodo y diferentes
sustancias en el cátodo: sulfuro de hierro, dióxido de manganeso, dióxido de
azufre, cloruro de tionilo, monofluoruro de carbono, etc.
Pese a desarrollarse la tecnología de níquel-hidrógeno en los años
1970, para satélites de comunicaciones comerciales, las primeras baterías
de níquel metal hidruro (NiMH) no aparecieron en el mercado, para usos
corrientes, hasta 1989.
En la década de 1980, el químico estadounidense John B.
Goodenough dirigió un equipo de investigación de Sony que produciría
finalmente la batería de iones de litio, recargable y más estable que la
batería de litio puro. En 1996, se lanzó al mercado la batería de polímero de
ion de litio, en la que su electrolito se aloja en un polímero sólido compuesto
y los electrodos y los separadores se laminan entre sí, lo que permite
envolturas flexibles.
TIPOS DE BATERÍA:
Por lo que a su naturaleza interna se refiere, características
electroquímicas, se encuentran habitualmente en el comercio de
acumuladores recargables de los tipos que se detallan a continuación.
1. BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO:
Está constituida por dos electrodos de plomo, de manera que, cuando
el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo
(II) (PbSO4) incrustado en una matriz de plomo metálico en el elemento
metálico (Pb); el electrólito es una disolución de ácido sulfúrico.
Su funcionamiento es el siguiente:
Carga
Durante el proceso de carga inicial, el sulfato de plomo (II) pierde
electrones o se reduce a plomo metal en el polo negativo (cátodo), mientras
que en el ánodo se forma óxido de plomo (IV) (PbO2). Por lo tanto, se trata
de un proceso de dismutación. No se libera hidrógeno, ya que la reducción
de los protones a hidrógeno elemental está cinéticamente impedida en la
superficie de plomo, característica favorable que se refuerza incorporando a
los electrodos pequeñas cantidades de plata. El desprendimiento de
hidrógeno provocaría la lenta degradación del electrodo, ayudando a que se
desmoronasen mecánicamente partes del mismo, alteraciones irreversibles
que acortarían la duración del acumulador.
Descarga
Durante la descarga se invierten los procesos de la carga. El óxido de
plomo (IV), que ahora funciona como cátodo, se reduce a sulfato de plomo
(II), mientras que el plomo elemental se oxida en el ánodo para dar
igualmente sulfato de plomo (II). Los electrones intercambiados se
aprovechan en forma de corriente eléctrica por un circuito externo. Se trata,
por lo tanto, de una conmutación. Los procesos elementales que trascurren
son los siguientes:
PbO2 + 2 H2SO4 + 2 e– → 2 H2O + PbSO4 + SO42–
Pb + SO42– → PbSO4 + 2 e–
En la descarga baja la concentración del ácido sulfúrico, porque se
crea sulfato de plomo (II) y aumenta la cantidad de agua liberada en
la reacción. Como el ácido sulfúrico concentrado tiene una densidad superior
a la del ácido sulfúrico diluido, la densidad del ácido puede servir de
indicador para el estado de carga del dispositivo.
Ciclos y vida
No obstante, este proceso no se puede repetir indefinidamente,
porque, cuando el sulfato de plomo (II) forma cristales, ya no responden bien
a los procesos indicados, con lo que se pierde la característica esencial de la
reversibilidad. Se dice entonces que la batería se ha «sulfatado» y es
necesario sustituirla por otra nueva. Las baterías de este tipo que se venden
actualmente utilizan un electrolito en pasta, que no se evapora y hace mucho
más segura y cómoda su utilización.
Ventajas
Bajo costo.
Fácil fabricación.
Desventajas
No admiten sobrecargas ni descargas profundas, viendo seriamente
disminuida su vida útil.
Altamente contaminantes.
Baja densidad de energía: 30 Wh/kg.
Peso excesivo, al estar compuesta principalmente de plomo; por esta
razón su uso en automóviles eléctricos se considera poco lógico por
los técnicos electrónicos con experiencia. Su uso se restringe por esta
razón.
Características
Voltaje proporcionado: 2 V/elemento.
Cuando varias celdas se agrupan para formar una batería comercial,
reciben el nombre de vasos, que se conectan en serie para proporcionar un
mayor voltaje. Dichos vasos se contienen dentro de una caja
de polipropileno copolímero de alta densidad con compartimientos estancos
para cada celda. La tensión suministrada por una batería de este tipo se
encuentra normalizada en 12 voltios si posee 6 elementos o vasos para
vehículos ligeros y 24 Voltios para vehículos pesados con 12 vasos. En
algunos vehículos comerciales y agrícolas antiguos todavía se utilizan
baterías de 6 voltios, de 3 elementos o vasos.
Densidad de energía: 30 Wh/kg.
Usos
Este tipo de acumulador se sigue usando aún en muchas
aplicaciones: en los automóviles, para el arranque, sistemas fotovoltaicos y
en aplicaciones estacionarias como acumuladores para fuentes de
alimentación ininterrumpidas para equipos médicos, informáticos, equipos de
seguridad, etc.
2. BATERÍAS DE NÍQUEL-HIERRO (NI-FE)
La batería de níquel-hierro, también denominada de ferroníquel, fue
inventada por Waldemar Jungner en 1899, posteriormente desarrollada
por Thomas Alva Edisony patentada en 1903. En el diseño original de
Edison el cátodo estaba compuesto por hileras de finos tubos formados por
láminas enrolladas de acero niquelado, estos tubos están rellenos de
hidróxido de níquel u oxi-hidróxido de níquel (NiOOH). El ánodo se
componía de cajas perforadas delgadas de acero niquelado que contienen
polvo de óxido ferroso (FeO). El electrólito es alcalino, una disolución de un
20 % de potasa cáustica (KOH) en agua destilada.
Carga y descarga
Los electrodos no se disuelven en el electrolito, las reacciones de
carga/descarga son completamente reversibles y la formación de cristales de
hierro preserva los electrodos por lo cual no se produce efecto memoria lo
que confiere a esta batería gran duración.4 Las reacciones de carga y
descarga son las siguientes:
Cátodo: 2 NiOOH + 2 H2O + 2 e– ↔ 2 Ni(OH)2 + 2 OH–
Ánodo: Fe + 2 OH– ↔ Fe(OH)2 + 2 e–
(Descarga se lee de izquierda a derecha y carga de derecha a izquierda.)
Ventajas
Bajo costo.
Fácil fabricación.
Admite sobrecargas, repetidas descargas totales e incluso
cortocircuitos sin pérdida significativa de capacidad.
No es contaminante, no contiene metales pesados y el electrolito
diluido se puede usar en aplicaciones agrícolas.
Muy larga vida útil, algunos fabricantes hablan de más de 100 años
de esperanza de vida en los electrodos y 1000 ciclos de descarga
100 % en el electrolito.6 El electrolito se debe cambiar cada 20 años
según instrucciones de uso redactadas por el propio Edison.7
Compuesta de elementos abundantes en la corteza de la tierra
(hierro, níquel, potasio)
Funciona en un mayor rango de temperaturas, entre −40 °C y 46 °C
Desventajas
Solo posee una eficiencia del 65 %.[cita requerida]
Características
Voltaje proporcionado: 1,2 ~ 1,4 V
Densidad de energía: 40 Wh/kg
Energía/volumen: 30 Wh/l
Potencia/peso: 100 W/kg
3. BATERÍAS DE NÍQUEL-CADMIO (NI-CD)
Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto
de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de
materiales permite recargar la batería una vez está agotada, para su
reutilización. Sin embargo, su densidad de energía es de tan sólo 50 Wh/kg,
lo que hace que tengan poca capacidad.
Ventajas
Admiten un gran rango de temperaturas de funcionamiento.
Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no
admiten más carga, aunque no la almacena.
Desventajas
Efecto memoria muy alto.
Densidad de energía baja.
Características
Voltaje proporcionado: 1,2 V
Densidad de energía: 50 Wh/kg
Capacidad usual: 0,5 a 1,0 A (en pilas tipo AA)
Efecto memoria: muy alto
4. BATERÍAS DE NÍQUEL-HIDRURO METÁLICO (NI-MH)
Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación
de hidruro metálico.
Ventajas
Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el
llamado efecto memoria.
Desventajas
No admiten bien el frío extremo, reduciendo drásticamente la potencia
eficaz que puede entregar.
Características
Voltaje proporcionado: 1,2 V
Densidad de energía: 80 Wh/kg
Capacidad usual: 0,5 a 2,8 A (en pilas tipo AA)
Efecto memoria: bajo
5. BATERÍAS DE IONES DE LITIO (LI-ION)
Las baterías de iones de litio (Li-ion) utilizan un ánodo de grafito y un
cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u óxido de manganeso. Su
desarrollo es más reciente, y permite llegar a altas densidades de capacidad.
No admiten descargas y sufren mucho cuando éstas suceden; por lo que
suelen llevar acoplada circuitería adicional para conocer el estado de la
batería, y evitar así tanto la carga excesiva como la descarga completa.
Ventajas
Apenas sufren el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de
estar descargadas completamente, sin reducción de su vida útil.
Altas densidades de capacidad.
Desventajas
No admiten bien los cambios de temperatura.
No admiten descargas completas y sufren mucho cuando éstas
suceden.
Características
Voltaje proporcionado:
A plena carga: entre 4,2 V y 4,3 V dependiendo del fabricante.
A carga nominal: entre 3,6 V y 3,7 V dependiendo del fabricante.
A baja carga: entre 2,65 V y 2,75 V dependiendo del fabricante (este
valor no es un límite, se recomienda).
Densidad de energía: 115 Wh/kg
Capacidad usual: 1,5 a 2,8 A (en pilas tipo AA)
Efecto memoria: muy bajo
Usos
Móviles, tabletas, libros electrónicos, etc.
6. BATERÍAS DE POLÍMERO DE LITIO (LIPO)
Son una variación de las baterías de iones de litio (Li-ion). Sus
características son muy similares, pero permiten una mayor densidad de
energía, así como una tasa de descarga bastante superior. Estas baterías
tienen un tamaño más reducido respecto a las de otros componentes.
Cada celda tiene un voltaje nominal de 3,7 V, voltaje máximo 4,2 y
mínimo 3,0. Este último debe respetarse rigurosamente ya que la pila se
daña irreparablemente a voltajes menores a 3 voltios. Se suele establecer la
siguiente nomenclatura XSYP que significa X celdas en serie, e Y en
paralelo. Por ejemplo 3s2p son 2 baterías en paralelo, donde cada una tiene
3 celdas o células. Esta configuración se consigue conectando ambas
baterías con un cable paralelo.
Ventajas
Mayor densidad de carga, por tanto tamaño reducido.
Buena tasa de descarga, bastante superior a las de iones de litio.
Desventajas
Quedan casi inutilizadas si se descargan por debajo del mínimo de 3
voltios.
Tipos
Las baterías LiPo se venden generalmente de 1S a 4S lo que significa:
Li-PO 1S: una celda, 3,7 V.
Li-PO 2S: dos celdas, 7,4 V.
Li-PO 3S: tres celdas, 11,1 V.
Li-PO 4S: cuatro celdas, 14,8 V.
Usos
Su tamaño y peso las hace muy útiles para equipos pequeños que
requieran potencia y duración, como manos libres bluetooth.
PILAS:
Una pila eléctrica o batería eléctrica es el formato industrializado y
comercial de la celda galvánica o voltaica.
Es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica
por un proceso químico transitorio, tras lo cual cesa su actividad y han de
renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características
resultan alteradas durante el mismo. Se trata de un generador primario. Esta
energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados
polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo negativo o ánodo y el otro
es el polo positivo o cátodo.
La estructura fundamental de una pila consiste en dos electrodos,
metálicos en muchos casos, introducidos en una disolución conductora de la
electricidad o electrolito.
Las pilas, a diferencia de las baterías, no son recargables, aunque
según países y contextos los términos pueden intercambiarse o confundirse.
En este artículo se describen las pilas no recargables.
PRINCIPIOS DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PILA:
Aunque la apariencia de cada una de estas celdas sea simple, la
explicación de su funcionamiento dista de serlo y motivó una gran actividad
científica en los siglos XIX y XX, así como diversas teorías.
Las pilas básicamente consisten en dos electrodos metálicos sumergidos en
un líquido, sólido o pasta que se llama electrolito. El electrolito es un
conductor de iones.
Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de los
electrodos (el ánodo) se producen electrones (oxidación), y en el otro
(cátodo) se produce un defecto de electrones (reducción). Cuando los
electrones sobrantes del ánodo pasan al cátodo a través de un conductor
externo a la pila se produce una corriente eléctrica.
Como puede verse, en el fondo, se trata de una reacción de oxidación
y otra de reducción que se producen simultáneamente.
HISTORIA DE LA PILA:
La primera pila eléctrica fue la llamada pila voltaica, que fue dada a
conocer por Volta en 1800 mediante una carta que envió al presidente de la
Royal Society londinense. Se trataba de una serie de pares de discos
(apilados) de zinc y de cobre (o también de plata), separados unos de otros
por trozos de cartón o de fieltro impregnados de salmuera, que medían unos
3 cm de diámetro. Cuando se fijó una unidad de medida para la diferencia de
potencial, el voltio (precisamente en honor de Volta) se pudo saber que cada
uno de esos elementos suministraba una tensión de 0,75 V
aproximadamente, pero ninguno de estos conceptos se conocía entonces.
Su apilamiento conectado en serie permitía aumentar la tensión a voluntad,
otro descubrimiento de Volta. El invento constituía una novedad absoluta y
gozó de un éxito inmediato y muy merecido, ya que inició la era eléctrica en
que actualmente vivimos, al permitir el estudio experimental preciso de la
electricidad, superando las enormes limitaciones que presentaban para ello
los generadores electrostáticos, que son los únicos que existían hasta el
momento. Otro tipo más temprano de configuración también utilizada y
descrita por Volta para el aparato estaba formada por una serie de vasos
con líquido (unos junto a otros, en batería), en los que se sumergían las tiras
de los metales, conectando externamente un metal con otro.
Inmediatamente empezaron a hacerse por toda Europa y América
innumerables pruebas con diversos líquidos, metales y configuraciones,
tratando de mejorar las características del aparato original, cosa que pocas
veces se consiguió, pero que originó una infinidad de distintos tipos de pilas,
de los cuales no ha quedado memoria más que de los más notables.
La pila Daniell, dada a conocer en 1836 y de la que luego se han
usado ampliamente determinadas variantes constructivas, está formada por
un electrodo de cinc sumergido en una disolución de sulfato de cinc y otro
electrodo de cobre sumergido en una disolución concentrada de sulfato de
cobre. Ambos electrolitos están separados por una pared porosa para evitar
su reacción directa. En esta situación, la tensión de disolución del cinc es
mayor que la presión de los iones Zn++ y el electrodo se disuelve, emitiendo
Zn++ y quedando cargado negativamente, proceso en el que se liberan
electrones y que recibe el nombre de oxidación. En la disolución de sulfato
de cobre, debido a su gran concentración de iones Cu++, se deposita Cu
sobre el electrodo de este metal que, de este modo, queda cargado
positivamente mediante el proceso denominado reducción, que implica la
incorporación de electrones. Esta pila presenta una diferencia de potencial
de 1,07 a 1,14 V entre sus electrodos. Su gran ventaja respecto a otras de
su tiempo fue la constancia del voltaje generado, debido a la elaborada
configuración, que facilita la despolarización, y a la reserva de electrolito,
que permite mantener su concentración durante más tiempo.
La pila Grove (1839) utiliza como despolarizador el ácido nítrico
HNO3. Su diferencia de potencial o fuerza electromotriz es de 1,9 a 2,0 V.
Originariamente utilizaba platino para el ánodo, pero Cooper y Bunsen lo
sustituyeron luego por carbón. El cátodo era de cinc tratado con mercurio.
Fue muy apreciada por su estabilidad y su mayor energía, a pesar del gran
inconveniente que representa la emisión de humos corrosivos. El propio
Grove elaboró, ese mismo año, una pila que producía energía eléctrica por
medio de la recombinación de hidrógeno y de oxígeno, lo que constituye el
precedente de los generadores contemporáneos conocidos como pilas de
combustible.
La pila Leclanché, diseñada por Georges Leclanché en 1868, utiliza
una solución de cloruro amónico en la que se sumergen electrodos de cinc y
de carbón, rodeado éste último por una pasta de dióxido de manganeso y
polvo de carbón como despolarizante. Suministra una tensión de 1,5 V y su
principal ventaja es que se almacena muy bien, pues el cinc no es atacado
más que cuando se extrae corriente del elemento.
Este tipo de pila sirvió de base para el importante avance que
constituyó la pila denominada seca, al que pertenecen prácticamente todas
las utilizadas hoy. Los tipos hasta ahora descritos eran denominados
húmedos, pues contenían líquidos, que no solo hacían inconveniente su
transporte, sino que solían emitir gases peligrosos y olores desagradables.
Las pilas secas, en cambio, estaban formadas por un recipiente cilíndrico de
cinc, que era el polo negativo, relleno de una pasta electrolítica, y por una
barra de carbón en el centro (electrodo positivo), todo ello sellado para evitar
fugas. Previamente se había realizado otro tipo de pilas secas, como la de
Zamboni (1812), pero eran dispositivos puramente experimentales, que no
proporcionaban ninguna corriente útil. La sequedad es relativa, en primer
lugar porque un elemento rigurosamente seco no suministraría electricidad
alguna, de modo que lo que se encuentra en el interior de las pilas es una
pasta o gel, cuya humedad se procura por todos los medios conservar, pero
además porque el uso y el paso del tiempo tienden a corroer el contendedor,
de modo que la pila puede verter parte de su electrolito al exterior, donde
puede atacar a otros metales. Por esta razón se recomienda extraerlas
cuando no se utilizan durante mucho tiempo o cuando ya han trabajado
mucho. Este inconveniente está muy atenuado en los productos de finales
del siglo XX gracias a la utilización de recipientes de acero inoxidable, pero
todavía se produce alguna vez.
Importantes en otro sentido han sido las pilas patrón, destinadas a
usos de calibración y determinación de unidades, como la pila Clark (1870),
de cinc y mercurio, cuya tensión era de 1,457 V, y la pila Weston (1891), de
cadmio y mercurio, con 1,018 V. Estas tensiones se miden en vacío, es
decir, sin tener ninguna carga externa conectada, y a una temperatura
constante de 20 °C.
TIPOS DE PILAS:
1. PILA COMÚN:
Las pilas secas, de zinc-carbono o pilas comunes están formadas por
un recipiente cilíndrico de zinc, que es el polo negativo, relleno de una pasta
electrolítica, y por una barra de carbón en el centro (electrodo positivo), todo
ello sellado para evitar fugas.
Las medidas aproximadas de una pila común son:
Pila de 9 V: 50 mm × 26 mm × 17 mm.
Pila AA: 50 mm de longitud y 14 mm de diámetro.
Ventajas
No se descargan si no están en uso.
Desventajas
Una pila puede llegar a contaminar 3 000 litros de agua
2. PILAS ALCALINAS:
En 1866, Georges Leclanché inventa en Francia la pila Leclanché,
precursora de la pila seca (zinc-dióxido de manganeso), sistema que aún
domina el mercado mundial de las baterías primarias. Las pilas alcalinas (de
«alta potencia» o «larga vida») son similares a las de Leclanché, pero, en
vez de cloruro de amonio, llevan cloruro de sodio o de potasio. Duran más
porque el zinc no está expuesto a un ambiente ácido como el que provocan
los iones de amonio en la pila convencional. Como los iones se mueven más
fácilmente a través del electrolito, produce más potencia y una corriente más
estable.
Las pilas secas alcalinas son similares a las pilas secas comunes, con
las excepciones de que el electrolito es básico (alcalino), porque contiene
KOH y la superficie interior del recipiente de Zn es áspera; esto proporciona
un área de contacto mayor.
El ánodo está compuesto de una pasta de cinc amalgamado con
mercurio (total 1 %), carbono o grafito.
Cinc 14 % (ánodo)
Dióxido de manganeso 22 % (cátodo)
Carbón 2 %
Mercurio: 0,5 a 1 % (ánodo)
Hidróxido de potasio (electrolito)
Plástico y lámina 42 %
Contiene un compuesto alcalino, llamado hidróxido de potasio. Está
compuesta por dióxido de manganeso, MnO2,hidróxido de potasio (KOH),
pasta de cinc (Zn), amalgamada con mercurio (Hg, en total 1 %), carbón o
grafito (C). Según la Directiva Europea del 18 de marzo de 1991, este tipo de
pilas no pueden superar la cantidad de 0,025 % de mercurio.
Descarga
Durante la descarga, las reacciones en la pila seca alcalina son:
Ánodo: Zn (s) + 2 OH– (aq) → Zn(OH)2 (s) + 2 e–
Cátodo: 2 MnO2 (s) + 2 H2O (l) + 2 e– → 2 MnO(OH) (s) + 2 OH–(aq)
Global: Zn (s) + 2 MnO2 (s) + 2 H2O (l) → Zn(OH)2(aq) + 2
MnO(OH) (s)
Ventajas
Respecto a las pilas convencionales entregan más potencia y una
corriente más estable.
Su duración es seis veces mayor que la de la pila de cinc-carbono.
Resisten mejor el uso constante.
Desventajas
Su mayor costo se deriva de la dificultad de sellar las pilas contra las
fugas de hidróxido. Casi todas vienen blindadas, lo que impide el
derramamiento de los componentes. Sin embargo, este blindaje no tiene
duración ilimitada.
Características
El voltaje de una pila alcalina está cerca de 1,5 V.
Usos
Se utilizan para aparatos complejos y de elevado consumo
energético. En sus versiones de 1,5 voltios, 6 voltios y 12 voltios se emplean,
por ejemplo, en mandos a distancia (control remoto) y alarmas.
3. PILAS ALCALINAS DE MANGANESO:
Con un contenido de mercurio que ronda el 0,1 % de su peso total, es
una versión mejorada de la pila alcalina, en la que se ha sustituido el
conductor iónico cloruro de amonio por hidróxido de potasio (de ahí su
nombre de alcalina). El recipiente de la pila es de acero, y la disposición del
cinc y del óxido de manganeso (IV) (o dióxido de manganeso) es la
contraria, situándose el cinc, ahora en polvo, en el centro. La cantidad
de mercurio empleada para regularizar la descarga es mayor. Esto le
confiere mayor duración, más constancia en el tiempo y mejor rendimiento.
Por el contrario, su precio es más elevado. También suministra una fuerza
electromotriz de 1,5 V. Se utiliza en aparatos de mayor consumo como:
grabadoras portátiles, juguetes con motor, flashes electrónicos.
El ánodo es de cinc amalgamado y el cátodo es un material
polarizador compuesto con base en dióxido de manganeso, óxido de
mercurio (II) mezclado íntimamente con grafito, y en casos raros, óxido de
plata Ag2O (estos dos últimos son muy costosos, peligrosos y tóxicos), a fin
de reducir su resistividad eléctrica. El electrolito es una solución de hidróxido
potásico (KOH), el cual presenta una resistencia interna bajísima, lo que
permite que no se tengan descargas internas y la energía pueda ser
acumulada durante mucho tiempo. Este electrolito, en las pilas comerciales
se endurece con gelatinas o derivados de la celulosa.
Este tipo de pila se fabrica en dos formas. En una, el ánodo consta de
una tira de cinc corrugada, devanada en espiral de 0,051 a 0,13 mm de
espesor, que se amalgama después de armarla. Hay dos tiras de papel
absorbente resistente a los álcalis interdevanadas con la tira de papel de
cinc, de modo que el cinc sobresalga por la parte superior y el papel por la
parte inferior. El ánodo está aislado de la caja metálica con un manguito de
poliestireno. La parte superior de la pila es de cobre y hace contacto con la
tira de cinc para formar la terminal negativa de la pila. La pila está sellada
con un ojillo o anillo aislante hecho de neopreno. La envoltura de la pila es
químicamente inerte a los ingredientes y forma el electrodo positivo.
Ventajas
Este tipo de pilas tiene una duración mayor que las alcalinas.
Desventajas
Este tipo de baterías presenta algunas desventajas:
Una pila alcalina puede contaminar 175 000 litros de agua, que llega a
ser el consumo promedio de agua de toda la vida de seis personas.
Cinc, manganeso (Mn), bismuto (Bi), cobre (Cu) y plata (Ag) son
sustancias tóxicas, que producen diversas alteraciones en la salud
humana. El cinc, manganeso y cobre son esenciales para la vida, en
cantidades mínimas, y tóxicos en altas dosis. El bismuto y la plata no
son esenciales para la vida.
Usos
Juguetes, tocacintas, cámaras fotográficas, grabadoras, linternas, etc.
TIPOS DE PILAS POR FORMA Y TAMAÑO:
La distinción entre pilas que utilizan un electrolito y las que utilizan
dos, o entre pilas húmedas y secas, son exclusivamente de interés histórico
y didáctico, pues todas las pilas que se utilizan actualmente son
prefabricadas, estancas y responden a tipos bastante fijos, lo que facilita su
comercialización y su uso.
Las pilas eléctricas y algunos acumuladores se presentan en unas
cuantas formas normalizadas. Las más frecuentes comprenden la serie A (A,
AA, AAA, AAAA), A B, C, D, F, G, J y N, 3R12, 4R25 y sus variantes, PP3,
PP9 y las baterías de linterna 996 y PC926. Las características principales
de todas ellas y de otros tipos menos habituales se incluyen en la tabla
siguiente (que también puede verse separadamente).
Cabe la posibilidad de utilizar adaptadores, en especial para que las
pilas recargables AA se puedan utilizar en aparatos que precisen pilas C y D.
Existen unas normas internacionales para la estandarización de
los tamaños y voltajes de las pilas para permitir la utilización de aparatos
eléctricos a nivel mundial.
DIFERENTES TIPOS DE CONEXIONES DE UNA BATERÍA:
CONEXIÓN EN PARALELO
La conexión en paralelo de dos baterías iguales, permite obtener una
salida dos veces la capacidad de las baterías individuales, manteniendo el
mismo voltaje nominal.
Siguiendo este ejemplo, donde tenemos dos baterías de 200Ah y 12V
cada una, conectadas en paralelo, vamos a tener:
Tensión nominal total: 12V (Voltios).
Capacidad total: 400Ah (amperios por hora).
La capacidad identifica la máxima cantidad de de carga que puede
almacenarse. Cuanto mayor sea la capacidad, mayor será la cantidad de
carga que puede almacenarse. Se mide en Amperios por hora.
En este caso, significa que con una capacidad de 400Ah, la suma de
ambas baterías teóricamente puede proporcionar una corriente de 400
amperios durante 1 hora de tiempo, o 200 amperios durante 2 horas
continuamente, o 100 amperios durante 4 horas continuamente, y así
sucesivamente.
Cuanto menor sea la intensidad máxima utilizada (amperios), mayor
será la duración en tiempo de las baterías.
CONEXIÓN EN SERIE
Siguiendo este ejemplo en el que tenemos dosbaterías de 200Ah y
12V cada una, conectadas en serie, vamos a tener:
Valor de tensión de salida total: 24V (voltios)
Capacidad total: 200Ah (amperios por hora), sin cambios.
En este caso, mayor es la tensión de corriente continua para cargar
las baterías, y las pérdidas son menores a lo largo de los cables.
CONEXIÓN SERIE-PARALELO
La combinación de la conexión en paralelo con la conexión en serie,
será una duplicación de la tensión nominal y de la capacidad.
Siguiendo este ejemplo, vamos a tener dos conjuntos a 24V y 200Ah
unidas en paralelo, formando así un total de 24V y 400Ah.
Cuando el vínculo es importante, prestar atención a la
polaridad, usando cables de sección adecuada y lo más corto posibles.
Cuanto menor sea la longitud de las conexiones, menor será la
resistencia que se formó en los cables para el paso de corriente, y por lo
tanto menor será la pérdida de energía en el mismo.
BANCOS DE BATERÍAS:
Son bancos de baterías estacionarios con capacidad para suministrar
potencia en corriente directa a los esquemas de protección, control,
señalización y todo lo que requiera de corriente directa a través de centros
de carga.
