Baterías: Tipos, Funcionamiento y Características

Baterías

Una batería es un conjunto de células electrolíticas utilizadas para generar una corriente eléctrica continua o directa. Hay células primarias y células secundarias. Las células llamadas primarias, o comúnmente llamadas pilas, producen electricidad en un proceso químico irreversible y, cuando se agotan, es necesario eliminarlas y sustituirlas. Las células llamadas secundarias, comúnmente llamadas acumuladoras, actúan de acuerdo con un principio reversible y es posible recargarlas conectándolas con otra fuente adecuada de corriente eléctrica.

Todas las células tienen dos electrodos sumergidos en un electrólito. El electrólito es una sustancia, a menudo líquida, que conduce electricidad gracias a su disociación en elevado número de iones. Éstos son átomos que han perdido o ganado electrones y, por lo tanto, tienen una carga eléctrica. Ejemplos conocidos de electrólitos son: las soluciones de ácidos, bases y sales.

Cuando dos electrodos apropiados se sumergen en un electrólito, un exceso de electrones aparece en un electrodo (el negativo) y una deficiencia de electrones aparece en el otro (el positivo). Esta diferencia de carga eléctrica entre electrodos constituye una diferencia de potencial entre ellos, con la que es posible generar un una corriente eléctrica a través de un circuito conductor externo que vincule a los dos electrodos. La corriente de electrones se produce desde el electrodo negativo hacia el electrodo positivo pero, por convención, a consecuencia de razones históricas (no hay que olvidar que los electrones se descubrieron mucho después del invento de las células electrolíticas) se acordó en afirmar que la corriente fluye de positivo a negativo.

La Pila Primaria

Algunos experimentos realizados en el siglo XVIII, permitieron descubrir que cuando dos materiales desiguales, tales como el zinc y el carbón (o cobre, utilizado en lugar de carbón) se sumergen en una solución ácida (por ejemplo, ácido sulfúrico diluido en agua), la acción química produce una fuerza electromotriz entre el zinc y el carbón. Los materiales sumergidos en el ácido se llaman electrodos, siendo el zinc el negativo y el carbón (o cobre) el positivo. La solución de ácido diluido se llama electrólito; el conjunto se denomina pila. Frecuentemente se confunde a la pila con la batería, pero en realidad la pila es una unidad básica, mientras que dos o más pilas constituyen una batería.

Las celdas o pilas pueden ser húmedas o secas, según que el electrólito esté constituido por un líquido o por una pasta. La célula húmeda original, llamada célula voltaica, en homenaje al científico italiano Alessandro Volta (que fabricó la primera batería con pilas hechas con discos de zinc y de cobre separados por capas de fieltro empapadas en ácido diluido), comprende electrodos de zinc y carbono (o cobre) sumergidos en un electrólito de ácido sulfúrico. La moderna célula o pila seca, tiene un electrodo negativo de zinc (que forma el revestimiento externo) y un electrodo positivo de carbono. El electrólito es una pasta espesa, formada por una mezcla de grafito, cloruro de amonio y bióxido de manganeso. Este tipo de célula se basa en la pila de Le Clanché, inventada por el científico francés Georges Leclanché.

Cuando se conectan externamente los terminales positivo y negativo, se genera una corriente eléctrica. En la pila, el electrodo de zinc se va disolviendo lentamente mientras se halla en funcionamiento. Se puede llegar al caso de que el zinc se corroe de tal manera que la pila deja de funcionar. Cuando se llega a este punto la pila ha alcanzado el final de su vida útil. En otras palabras, la pila primaria tiene una vida limitada, después de lo cual su funcionamiento no puede volver a las condiciones normales.

Pila de Zinc-Carbón (Le Clanche)

La pila más popular y más utilizada es la del tipo zinc-carbón, a veces denominada Le Clanche. En esta pila el electrodo positivo es de carbón (C) y el negativo de zinc (Zn). El electrólito es un producto químico conocido como cloruro de amonio (NH₄CI), frecuentemente llamado sal de amoníaco. El electrodo negativo es de la forma del recipiente y contiene la totalidad de la pila. El elemento positivo tiene la forma de una varilla de carbón y está colocada en el centro de la pila. El electrólito está mezclado con almidón o con harina formando una pasta (es decir, que una pila seca, realmente no es “seca”). Cuando el electrólito se seca, la pila deja de funcionar.

Cuando la pila trabaja correctamente, entre los terminales positivo y negativo aparece una diferencia de potencial (o voltaje) de 1,6 volts. Cuando la pila se “agota”, ya sea porque se ha secado el electrólito, o porque se ha comido la cubierta de zinc, la tensión entre los terminales disminuye alrededor de 1,1 volts (descargada).

Este tipo de pilas una vez descargadas son inútiles para la mayoría de las aplicaciones ya no puede volver a cargarse, y debe ser descartada. Combinaciones diferentes de distintos metales y electrólitos pueden producir diferentes voltajes entre los terminales.

Funcionamiento de la Pila

Conectemos un alambre conductor entre los terminales de una pila seca de zinc-carbón. En el electrólito (NH₄Cl) hay presente iones de amonio (NH₄+) e iones de cloro (Cl-). Cuando el zinc hace contacto con el electrólito los iones de zinc (Zn++) entran en la solución, dejando cada uno de ellos dos electrones sobre el electrodo negativo. La acumulación de electrones constituye una carga negativa sobre el zinc. Los iones (Zn++) en la solución repelen a los iones amonio (NH₄+) y a los iones hidrógeno positivos (H+), los cuales son colectados sobre la superficie del electrodo de carbón en la forma de burbujas gaseosas. La pérdida de electrones deja el electrodo de carbón con una carga positiva. Los iones (Zn++) se combinan químicamente con los iones (Cl -) para formar cloruro de zinc (ZnCl₂), una sustancia blanca. Se puede ver esta sustancia cuando las pilas envejecen demasiado. La cubierta de zinc es usada gradualmente para formar el (ZnCl₂) durante el funcionamiento de la pila.

Los electrones agrupados sobre el electrodo de zinc, se repelen unos a otros. Esta repulsión sumada a la atracción de la carga positiva sobre el electrodo de carbón, da como resultado la formación de la f.e.m. (fuerza electromotriz) de la pila .Esta f.e.m. hace que circule una corriente de electrones entre los electrodos cuando hay un camino externo.

En el proceso se acumulan burbujas de hidrógeno sobre la superficie de carbón, y esto afecta al buen funcionamiento de la pila, ya que dificulta y bloquea la acción química. Esto se llama polarización, y para evitarla se agrega dióxido de manganeso en el electrólito, el que se combina con el hidrógeno y forma agua.

Pila Primaria de Zinc-Óxido de Mercurio

Otro tipo de pila primaria es la de zinc-óxido de mercurio, inventada a mediados del siglo XX. La pila consiste en un electrodo negativo de zinc, amalgamado en polvo o en láminas corrugadas, mientras el electrodo positivo es una mezcla de óxido de mercurio y grafito, moldeado a presión; ambos electrodos están contenidos en un envase de acero. El electrólito es una solución de hidróxido de potasio y óxido de zinc, y para empastar el electrólito se emplea material celulósico como separador.

El voltaje normal de esta pila (cuando no se la utiliza) es de 1,34 volts, pero con un flujo normal de corriente esta tensión cae a valores de entre 1,31 y 1,24 voltios. Comparada con la mayoría de los otros tipos de pilas primarias, la pila de zinc-óxido de mercurio poseen ventajas; por ejemplo, el voltaje es prácticamente constante durante su vida útil (ciclo de descarga), y su capacidad para proveer electrones al electrodo negativo es superior a la pila de zinc-carbón. Además, permite una corriente relativamente más alta, que puede mantenerse durante un tiempo considerablemente largo; y también mantiene estas ventajas aún a temperaturas altas. Son relativamente caras y su aplicación se encuentra principalmente donde su reducido tamaño (12 a 25 mm de diámetro y pocos mm de altura) constituye una ventaja.

Una ventaja interesante de ésta pila, es su capacidad para mantener un voltaje constante durante toda su vida útil. En muchas aplicaciones, el voltaje de esta pila se usa como patrón con el cual se ajustan instrumentos de medida.

La Pila Secundaria (Plomo-Ácido)

Las baterías de almacenamiento o acumuladores consisten en conjuntos de células secundarias. Una célula secundaria puede agotarse por descarga y luego volver al estado de carga integral, si se hace circular una corriente continua o directa a través de ella en dirección contraria a la de la descarga. Este proceso puede repetirse centenares de veces antes de que la batería se agote.

La batería de un automóvil, por ejemplo, está constituida por un conjunto de acumuladores de plomo. Cada uno contiene dos placas de plomo (Pb) que adoptan la forma de rejillas para aumentar el área superficial. Los orificios de la rejilla negativa se llenan con plomo esponjoso mientras que los de la rejilla positiva con bióxido de plomo o peróxido de plomo (PbO2). El plomo es el electrodo negativo y el peróxido el positivo. El electrólito es ácido sulfúrico (H2SO4) mezclado con agua destilada (H2O).El conjunto de células secundarias formadas por una serie de placas alternadas de plomo y bióxido de plomo, se sumergen en una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) en agua destilada (H2O) que es el electrólito. Tanto el plomo como el bióxido de plomo reaccionan con el ácido sulfúrico y forman sulfato de plomo y agua. Se liberan iones de hidrógeno positivo e iones de sulfato negativos. El sulfato de plomo resulta prácticamente insoluble en el electrólito y forma un depósito blanco sobre las placas. Cuando ambos conjuntos de placas están cubiertos, la batería se ha descargada, porque ya no hay diferencia de potencial entre las placas. Cuando una corriente continua externa se conecta con las placas para recargarlas, los iones de hidrógeno emigran a las placas negativas y los iones de sulfato a las positivas. Vuelve a formarse plomo esponjoso en las placas negativas, y bióxido de plomo en las positivas.

El voltaje nominal de una célula de plomo es aproximadamente de 2,2 voltios, y una batería de automóvil generalmente consiste en seis células conectadas en serie, de modo que se obtienen doce voltios en las terminales de la batería. La pila de plomo-ácido es capaz de dar corriente extremadamente alta, de varios cientos de amperios.

Carga y Descarga en el Acumulador Plomo-Ácido

Analizaremos los fenómenos químicos en un acumulador plomo-ácido. Cuando está totalmente cargado, las placas negativas (electrodos negativos) son de plomo y las placas positivas (electrodos positivos) de peróxido. El electróIito es ácido sulfúrico y agua. Si conectamos un conductor entre el terminal positivo y el negativo, circula corriente y la pila comienza a descargarse. Durante la descarga disminuye el contenido de ácido del electrólito y se deposita sulfato de plomo (PbSO₄) sobre ambas placas, positiva y negativa. Aumenta por lo tanto la cantidad de agua. Este proceso continúa hasta que ambos electrodos contienen un máximo de sulfato de plomo y la densidad del electrólito es muy baja. Al llegar a ese punto, la f.e.m. entre ellos es mínima.

El acumulador puede ser recargado invirtiendo la dirección de la corriente de descarga. Esto se hace conectando el terminal positivo de la batería al terminal positivo del cargador de baterías. Durante el proceso de carga la placa negativa retorna al plomo y la positiva al peróxido. El sulfato retorna al electrólito y aumenta la densidad de éste. Durante la carga, se desprende hidrógeno y oxígeno, y se debe agregar algo de agua al electrólito para reemplazar la que se ha perdido. Esta es la razón por la cual se agrega agua a la hatería del automóvil dos o tres veces al año.

Pila alcalina

La pila alcalina puede ser primaria o secundaria y se llama así porque tiene un electrólito alcalino de hidróxido de potasio (KOH), con electrodo negativo de zinc (Zn) y positivo de dióxido de manganeso (MnO2). Genera normalmente 1,5 voltios.

Pila de Níquel-Cadmio

La pila de níquel-cadmio es una pila secundaria seca, cuyo electrólito es hidróxido de potasio. El electrodo negativo de la pila de níquel-cadmio es hidróxido de níquel, mientras que el positivo es óxido de cadmio.

El voltaje medio de trabajo, bajo condiciones normales es de 1,25 volts y posee un efecto memoria muy alto.

Los acumuladores de níquel-cadmio se fabrican en una amplia variedad de tamaños y formas, siendo los más populares de ellos los tipos rectangulares de cierre hermético, y los cilíndricos de “botón”. En el tipo de placa sintetizada, las placas están dispuestas en grupos y conectadas por cintas soldadas y separadas por distanciadores. Los grupos de placas positivas y negativas están entremezcladas y colocadas en un recipiente de plástico.

Durante la carga y la descarga de un acumulador de níquel-cadmio no hay prácticamente cambios en la densidad del electrólito. Éste actúa solamente como un conductor para transferir los iones hidróxido de un electrodo al otro, dependiendo esto de la condición de carga de la pila.

La batería de níquel-cadmio es la única batería seca que es un verdadero acumulador con una reacción química reversible, lo cual permite recargarla muchas veces. Es degran resistencia y ofrece un servicio confiable bajo condiciones extremas de choque, vibración y temperatura.

Pila de Edison

Es una celda secundaria alcalina de níquel y hierro, con electrólito de dióxido de potasio (KOH). Es mucho más ligera y más resistente que la celda de plomo y ácido. Funciona normalmente con 1,4 voltios. Tiene una placa positiva de níquel e hidrato de níquel (Ni2O2) y una placa negativa de hierro (Fe).

Pila de Níquel-Hidruro Metálico (Ni-MH)

Utilizan un electrodo positivo o ánodo de hidróxido de níquel y un electrodo negativo o cátodo de una aleación de hidruro metálico. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria. El frío extremo, reduce drásticamente la potencia eficaz que puede entregar. La celda proporciona 1,2 voltios y poseen un bajo efecto memoria.

Pila de Iones de Litio (Li-ion)

La pila de iones de litio (Li-ion) utiliza un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u óxido de manganeso. No admiten descargas completas ni cargas excesivas. Sufren muy poco el efecto memoria por lo que pueden cargarse sin necesidad de estar descargadas completamente, sin reducción de su vida útil. No admiten bien los cambios de temperatura. Proveen 3,2 voltios.

Relaciones en las tensiones de salida de las pilas

Un hecho interesante acerca de la fuerza electromotriz (f.e.m.) generada por las pilas es que el voltaje de salida de una pila depende del tipo de materiales utilizados en ella, y no de sus dimensiones.

Por ejemplo, toda pila de zinc-carbón con electrólito de cloruro de amonio da la misma tensión, suministran 1,6 volts cuando son nuevas. La diferencia que existe entre ellas se debe a la corriente de salida que pueden suministrar. Lo mismo es cierto para los acumuladores de plomo-ácido. Una pequeña unidad de éstos tiene pocas placas que dan una tensión de salida de 2,2 voltios , la misma que uno de gran tamaño con numerosa cantidad de placas.

Relaciones en las Corrientes de Salida de las Pilas

Hemos visto que si un alambre se conecta entre los terminales negativo y positivo de una pila, circula corriente por éste. El hecho de que los electrones dejan la pila y penetran en el alambre es la base para considerar a la pila (o a la batería) como una fuente de corriente. Mientras continúa la acción química, sigue el suministro de electrones. El poder de una pila para suministrar electrones en una cierta relación, se llama capacidad de corriente. La cantidad máxima de electrones suministrados depende de la cantidad de material activo en los electrodos, ocurriendo lo mismo con el electrólito. Esto explica por qué una pila grande suministra más corriente que una pequeña.

Cuando se expresa la capacidad de una pila (práctica muy común en los acumuladores), se hace por medio del número máximo de amperios que puede dar en una hora. Así, un acumulador de 20 Amperios-hora, es un acumulador que puede suministrar una corriente de 20 A durante una hora, después de lo cual comienza a descargarse.

Si la corriente de descarga es de menor valor que su capacidad máxima, entonces la pila puede suministrar esta corriente durante más tiempo que una hora. Por ejemplo, un acumulador de 20 A.h, puede dar 1 A durante 20 h. De la misma forma, la capacidad de corriente será proporcionalmente más grande por un tiempo mas pequeño, por ejemplo, 100 A durante 0,2 h, o sea por 12 minutos. El producto de la corriente en amperios y del tiempo en horas no puede exceder la relación amperio-hora de una pila determinada.

El definitiva, el amperio-hora es una base para relacionar las baterías, y es utilizado como medida de la vida útil de la batería antes de cargarla nuevamente.

Voltaje entre los Terminales de una Pila

Una batería es un generador químico de voltaje contínuo y todos sus componentes internos poseen resistencia a la circulación de corriente. En una celda química, la resistencia del electrólito entre los electrodos es la mayor parte de la resistencia interna de la celda.

Cuando la batería no suministra corriente (por estar entre sus bornes el circuito abierto) el voltaje o diferencia de potencial entre sus bornes es el voltaje completo generado. A esto llamamos voltaje a circuito abierto o voltaje en vacío o voltaje sin carga. Pero si se cierra un circuito por fuera de la batería entre sus bornes, entonces la batería entrega una corriente (I) que también circula por el interior de la batería, debiendo pasar por sus componentes y vencer su resistencia interna (Ri). De esta manera, el voltaje (V) en sus terminales es disminuido por la caída de potencial (o caída de tensión) que se produce en su resistencia interna. Por lo tanto, el voltaje en los terminales de una pila o generador es igual a su f.e.m. (E) a circuito abierto (que es la máxima que puede proveer), menos la caída de tensión en su resistencia interna (I x Ri).

Conexión de las Pilas en Serie para formar una Batería

Bajo ciertas circunstancias, el voltaje que produce una sola pila es suficiente pero en otras ocasiones se necesita mayor voltaje. Esto puede lograrse conectando varias pilas (primarias o secundarias) en serie, en número tal como para lograr el voltaje necesario.

La f.e.m. (E) de una combinación en serie de pilas es la suma de las f.e.m. de las pilas individuales, y la resistencia interna total es la suma de las resistencias (Ri) de cada pila.

El voltaje total de un conjunto de pilas conectadas en serie es la suma de los voltajes de cada pila.

Cuando las pilas se conectan en serie, el terminal positivo de una se conecta con el terminal negativo de la otra. Al hacer esto, se suman todos los potenciales individuales, unos a otros. No es necesario que las pilas posean el mismo voltaje, se pueden conectar en serie pilas de cualquier voltaje; pero si es necesario que posean la misma capacidad de corriente.

Conexión de las Pilas en Paralelo para formar una Batería

También se puede formar baterías conectando pilas en paralelo, pero esto solo puede hacerse con pilas que tengan el mismo voltaje de salida. El propósito de una conexión en paralelo es aumentar la capacidad de corriente, ya que la conexión en paralelo es equivalente a un aumento en el tamaño físico de los electrodos y de la cantidad de electrólito, lo que significa incrementar la corriente disponible.

Conectando las pilas en paralelo no cambia el voltaje. El voltaje final de las pilas en paralelo, es el mismo que el de una sola.

Si se conectan pilas en paralelo de tensiones desiguales, entonces circularía corriente entre las pilas debido a las diferencias de potencial y se consumiría energía eléctrica.