BATERIA O ACUMULADOR
Batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, se le denomina al dispositivo que almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga.
TIPOS DE ACUMULADORES
Acumulador de plomo
Batería de ebonita con terminales expuestos.Está constituido 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 (Pb); el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico. Este tipo de acumulador se sigue usando aún en muchas aplicaciones, entre ellas en los automóviles. Su funcionamiento es el siguiente:
Durante el proceso de carga inicial, el sulfato de plomo (II) es reducido a plomo metal en el polo negativo, mientras que en el cátodo se forma óxido de plomo (IV) (Pb O2). 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 una 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.
Durante la descarga se invierten los procesos de la carga. El óxido de plomo (IV) es reducido a sulfato de plomo (II), mientras que el plomo elemental es oxidado 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.
No obstante, este proceso no se puede repetir indefinidamente, porque, cuando el sulfato de plomo (II) forma cristales muy grandes, ya no responden bien a los procesos indicados, con lo que se pierde la característica esencial de la reversibilidad. Se dice entonces que el acumulador se ha sulfatado y es necesario sustituirlo por otro nuevo.
Los acumuladores 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.
Batería alcalina
También denominada de ferro níquel, sus electrodos son láminas de acero en forma de rejilla con panales rellenos de óxido niqueloso (NiO), que constituyen el electrodo positivo, y de óxido ferroso (FeO), el negativo, estando formado el electrolito por una disolución de potasa cáustica (KOH). Durante la carga se produce un proceso de oxidación anódica y otro de reducción catódica, transformándose el óxido niqueloso en niquélico y el óxido ferroso en hierro metálico. Esta reacción se produce en sentido inverso durante la descarga.
En 1866, Georges Leclanché inventa en Francia 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 amonio en la pila convencional. Como los iones se mueven más fácilmente a través del electrolito, produce más potencia y una corriente más estable.
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 constituyentes. Sin embargo, este blindaje no tiene duración ilimitada. Las celdas secas alcalinas son similares a las celdas secas comunes, con las excepciones siguientes:
El electrolito es básico (alcalino), porque contiene KOH.
La superficie interior del recipiente de Zn es áspera; esto proporciona un área de contacto mayor.
Las baterías alcalinas tienen una vida media mayor que las de las celdas secas comunes y resisten mejor el uso constante.
El voltaje de una pila alcalina es cercano a 1,5 V. Durante la descarga, las reacciones en la celda 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)
El ánodo está compuesto de una pasta de zinc amalgamado con mercurio (total 1%), carbono o grafito.
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.
Baterías alcalinas de manganesoCon un contenido de mercurio que ronda el 0,1% de su peso total, es una versión mejorada de la pila anterior, en la que se ha sustituido el conductor iónico cloruro de amonio por hidróxido potásico (de ahí su nombre de alcalina). El recipiente de la pila es de acero, y la disposición del zinc y del óxido de manganeso (IV) es la contraria, situándose el zinc, 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 zinc amalgamado y el cátodo es un material polarizador que es en base a dióxido de manganeso, óxido mercúrico mezclado íntimamente con grafito, y en casos extraños óxido de plata Ag2O (estos dos últimos son de uso muy costoso, 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 es endurecido 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 zinc 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 zinc, de modo que el zinc 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 zinc 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.
Alcalinas
Zinc 14% (ánodo) Juguetes, tocacintas, cámaras fotográficas, grabadoras
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. Su duración es seis veces mayor que la de las de zinc-carbono. Está compuesta por Dióxido de Manganeso, Hidróxido de Potasio, pasta de Zinc amalgamada con Mercurio (en total 1%), Carbón o Grafito. Según la Directiva Europea del 18 de marzo de 1991, este tipo de pilas no pueden superar la cantidad de 0.025% de mercurio.
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.
Una pila común, también llamada de zinc-carbono, puede contaminar 3.000 litros de agua.
Zinc, Manganeso, Bismuto, Cobre y Plata: Son sustancias tóxicas, que producen diversas alteraciones en la salud humana. El Zinc, Manganeso y Cobre son esenciales para la vida, en cantidades mínimas, tóxico en altas dosis. El Bismuto y la Plata no son esenciales para la vida.
Baterías de Plomo (Pb)Tienen ciertas desventajas, como que no admiten sobrecargas ni descargas profundas, viendo seriamente disminuida su vida útil. Voltaje proporcionado: 2V Densidad de energia: 30 Wh/Kg
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. Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no admiten mas carga, aunque no la almacena. Admiten un gran rango de temperaturas de funcionamiento. Voltaje proporcionado: 1,2V Densidad de energia: 50 Wh/Kg Capacidad usual: 0.5 a 1.0 Amperios (en pilas tipo AA) Efecto memoria: muy Alto
Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH)Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria. No admiten bien el frio extremo, reduciendo drasticamente la potencia eficaz que puede entregar. Voltaje proporcionado: 1,2V Densidad de energia: 80 W/Kg Capacidad usual: 0.5 a 2.8 Amperios (en pilas tipo AA) Efecto memoria: bajo
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. Apenas sufren el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de estar descargadas completamente, sin reducción de su vida útil. No admiten bien los cambios de temperatura.
Voltaje proporcionado:
A Plena carga: Entre 4.2V y 4.3V dependiendo del fabricante
A carga nominal: Entre 3.6V y 3.7V dependiendo del fabricante
A baja carga: Entre 2,65V y 2,75V dependiendo del fabricante (este valor no es un límite, se recomienda).
Densidad de energía: 115 W/Kg Capacidad usual: 1.5 a 2.8 Amperios (en pilas tipo AA) Efecto memoria: muy bajo
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. Su tamaño y peso las hace muy útiles para equipos pequeños que requieran potencia y duración, como manos libres bluetooth.
Pilas de combustibleLa pila de combustible no se trata de un acumulador propiamente dicho, aunque sí convierte energía química en energía eléctrica y es recargable. Funciona con hidrógeno. (Otros combustibles como el metano o el metanol son usados para obtener el hidrógeno).
Condensador de alta capacidadAunque los condensadores de alta capacidad no sean acumuladores electroquímicos en sentido estricto, en la actualidad se están consiguiendo capacidades lo suficientemente grandes (varios faradios, F) como para que se los pueda utilizar como baterías cuando las potencias a suministrar sean pequeñas, en relación a su capacidad de almacenamiento de energía. Por ello se usan como batería en algunos relojes de pulsera que recogen la energía en forma de luz a través de células fotovoltaicas, o mediante un pequeño generador accionado mecánicamente por el muelle de la cuerda del reloj.
Aunque funcionan como acumuladores se les suele llamar "condensadores", ya que condensan o almacenan la corriente eléctrica aunque ésta fluctúe en el circuito
DE QUE ESTAN ECHAS LAS BATERIAS
Las baterías están compuestas de placas positivas, placas negativas, separadores y electrolito (mezcla de ácido sulfúrico y agua). Las placas están hechas de peroxido de plomo y plomo metálico. El conjunto de una placa positiva, una negativa y el separador forma un “elemento”.
La caja de la batería y su tapa están hechas de polipropileno resistente a vibraciones. Tienen en el caso de las de 12v. seis celdas en donde se colocan los seis elementos. En la tapa de las baterías de mejor calidad encontramos un densímetro indicador de carga, dispositivos anti-llama y en algunos casos separador de liquido y gas. Este separador liquido gas, posibilita la liberación de gases propios del uso de la batería, y no deja escapar las partículas del electrolito por lo que no requieren rellenado de agua (libre de mantenimiento).
Las placas o rejillas de plomo son el componente fundamental de la batería. Están hechas de plomo-antimonio aunque las de mejor calidad son de plomo-calcio. Estas placas son empastadas con el material activo, pudiendo ser la pasta positiva o negativa. En las baterías de mejor calidad, esta rejilla de plomo calcio se fabrica laminando este material y expandiéndolo o no fundiéndolo. Esto tiene como ventaja una menor corrosión y mayor conductividad.
La pasta que recubre las placas esta formado básicamente de oxido de plomo. En las baterías de mejor calidad, las partículas de oxido de plomo son micronizadas para que el tamaño de las partículas sea menor. Como la reacción química entre placas es un fenómeno de superficie, mientras menor sean las partículas, mayor será la reactividad.
El separador de las placas esta hecho de PVC, celulosa o polietileno (es el mejor). Su función es básicamente impedir que las placas se toque evitando de esta forma un cortocircuito. Al ser micro poroso, posibilita el pasaje de iones desde una placa a través del electrolito a la placa de la polaridad opuesta. En las baterías de mejor calidad en separador tiene forma de sobre y envuelve por completo las placas negativas, lo que disminuye en gran parte la posibilidad de cortocircuitos. Los cortocircuitos se producen por lo general cuando el material activo que recubre las placas, se desprende por corrosión o vibraciones y migra en forma de pequeñas partículas a la parte inferior o lateral de la batería, poniendo en contacto placas de polaridad opuesta.
