julio 30, 2024 330ohms

Las Pilas y las Baterías ¿Serán lo mismo? - 330ohms

Para comprender mejor el funcionamiento de la batería y de la pila, tomemos la parte fundamental de éstas: la celda. Para la explicación del principio de su funcionamiento, se tomará como referencia la celda de Daniell. Esta celda está compuesta por un placa de cobre, la cual es un electrodo, que está parcialmente sumergida en una solución de sulfato de cobre (II) -o sulfato cúprico-, mientras que una placa de zinc está también parcialmente sumergida en una solución de sulfato de zinc; ambas soluciones -electrolitos- se encuentran separadas por medio de una membrana porosa.

Esto es lo ocurre cuando se conectan las placas por medio de un cable. En la placa de zinc, los electrones de algunos átomos que componen la placa se separan de éstos, provocando que los átomos se transformen en iones y que se separen de la placa para formar parte de la solución; los electrones fluirán por el cable desde la placa de zinc hasta la placa de cobre. Una vez que llegan a la placa de cobre, ésta se satura de electrones, provocando que los iones de cobre se separen de la solución del sulfato para formar parte de la placa de cobre. Dadas estas reacciones, como en el electrolito donde se encuentra la placa de zinc hay mas iones de zinc positivos y en el electrolito donde está la placa de cobre hay más iones de sulfato negativos, entonces también debe haber una estabilidad eléctrica entre ellas ya que sin dicha estabilidad el circuito no estaría completamente cerrado. Aquí es donde entra la utilidad de la membrana porosa porque, si bien no permite la mezcla de los dos electrolitos, permite el paso de los iones sulfato hacia la solución donde se encuentra la placa de cobre. Conforme transcurra el tiempo, comenzará a verse que la placa se zinc se vuelve más delgada mientras que la placa de cobre se vuelve más grueso debido a que el zinc comienza a ser parte de la solución y a la placa de cobre se incorporan nuevos átomos de cobre a partir de los iones cobre. El proceso que ocurre es estas placas es un proceso de oxidación-reducción.

Otra variante de este experimento consiste en usar un puente salino en vez de usar la membrana porosa. En este video puede resultar más atractivo ver cómo es el proceso descrito anteriormente en la celda Daniell.

Habiendo explicado brevemente el funcionamiento de una celda electrolítica, ahora se describirán los tipos de dispositivos que funcionan con estas celdas y con ello se aclararán conceptos que suelen usarse indistintamente en la vida cotidiana, pero que técnicamente son completamente diferentes:

Pila. Es un dispositivo que contiene una celda electrolítica en la cual existe una diferencia de potencial; ésta diferencia de potencial no se pierde con el paso del tiempo pero cuyos elementos que componen a la pila para producir una corriente eléctrica se deterioran, por ello cuentan con una fecha de caducidad. Además, una vez que se han usado, ya no pueden ser recargadas.
Batería. Contiene una o más celdas electrolíticas en las cuales ocurren reacciones químicas para la generación de potencial eléctrico entre dos terminales insertadas; este potencial disminuye conforme la corriente pasa a través de una carga. La batería irá perdiendo esa diferencia de potencial conforme pase el tiempo aún si no es usada, pero puede recargarse al ser conectado inversamente a una corriente eléctrica; para ello existen los cargadores de batería. Por supuesto, las baterías irán degradándose conforme se carguen y descarguen y por ello cuentan con ciclos de carga/descarga.

Ya que en ambos dispositivos ocurren reacciones electroquímicas, la diferencia que hace a algunas recargables y a otras no son las substancias que contengan y la naturaleza de las reacciones, ya que en las baterías las reacciones electroquímicas son reversibles, mientras que en las otras no lo son.

Pilas

La energía en este tipo de dispositivos es mayor que en las baterías recargables y tienen una vida útil más larga porque pierde su carga durante su almacenamiento, lo cual se conoce como tasa de descarga, por lo que su vida útil es de cinco años o más.

Las pilas más comunes son:

Zinc-carbón. En estas pilas, el electrodo negativo está hecho de zinc mientras que el electrodo positivo es de carbón, a su vez el electrolito empleado es cloruro de zinc o cloruro de amonio. El proceso de manufactura de estas pilas es barato, pero su durabilidad no es tan larga. Por ello es muy común encontrar estas pilas en aquellos productos que indican “pilas incluidas”.
Alcalinas. En estas pilas, el electrodo negativo está hecho de polvo de zinc y el electrodo positivo de dióxido de manganeso, mientras que el electrolito es hidróxido de potasio. Estas pilas proporcionan más energía que los análogos de zinc-carbón y son menos susceptibles a tener caídas de voltaje durante su ciclo de descarga.
Pilas de botón. Así llamadas por la forma que tienen. Es una pila muy usada en aparatos como los relojes, audífonos, marcapasos, calculadoras, aparatos médicos de precisión. El electrodo positivo suele estar hecho de zinc o litio y el electrodo negativo de dióxido de manganeso, óxido de plata o óxido cúprico. Anteriormente se usaba el óxido de mercurio, pero debido a su alta toxicidad tanto al medio ambiente como a la salud, está dejando de emplearse en la fabricación de pilas.

Baterías

Hay varios tipos de baterías recargables:

Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd). Estas baterías soportan corrientes altas. Se ha comenzado su desuso debido a que el cadmio es un metal altamente tóxico, por ello los reemplazos de estas baterías son las de níquel-hidruro metálico.
Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH). Estas baterías no sufren el efecto memoria de las baterías de níquel-cadmio, esto es, que no se cargan completamente cuando han estado semidescargadas por semanas o meses y se desea volver a cargarlas.
Baterías de iones de litio (lithium-ion). Proporcionan más energía y tienen una mayor duración que las otras baterías en una menor masa con menor volumen. El electrolito está hecho de sales de litio
Baterías de polímero-litio (Lithiun-ion Polymer -LiPo-).
Baterías de plomo-acido. Estas baterías se usan principalmente en los automóviles, aunque también se hallan en los no-breaks y en los sistemas de iluminación de emergencia.

Valores a considerar en las pilas y baterías

Amperaje. La mayor parte de la corriente que proporcione la batería dependerá de la carga a la que esté sometida, aunque también estará limitada por la resistencia interna de la batería/pila, la cual puede ser cuantificada por medio de un amperemetro.
Capacidad. Esta se refiere a la corriente que puede proporcionar la batería en un lapso cuya medida es cuantificada en ampere-hora (Ah). Para baterías de menor capacidad se usan los miliamperes-hora (mAh). Un ejemplo: si una batería tiene una capacidad de 4 Ah, esto quiere decir que, teóricamente, la batería podría proporcionar una corriente de 1 A por 4 horas o 0.2 A por 20 horas. Por supuesto, si se demandan corrientes muy grandes es probable que la batería pudiera proporcionar esa cantidad en un menor tiempo, pero es muy posible que simplemente la batería no puede proporcionar esas corrientes altas y, si llegara a hacerlo, se sobrecalentaría y dañaría por tal demanda. Es por eso que hay que tener presentes estas consideraciones y no esperemos que un dispositivo pequeño dé más de lo que realmente puede dar.

Existe una expresión matemática que puede cuantificar el tiempo en el que una batería puede proporcionar una corriente deseada. Esta expresión es:

T=H*(AhM/[I*H]^n)

En esta expresión, AhM es la capacidad de la batería en amperes-hora -dato del fabricante-, I es la corriente que se espera que proporcione la batería, n es el número de Peukert -este dato es proporcionado por el fabricante y este número es un factor de estimación para obtener un valor más real de T con altas corrientes- y H es la duración en horas en las cuales la batería fue probada por el fabricante -este número también suele ser proporcionado por la mayoría de los fabricantes y normalmente es de 20 horas- Adicionalmente, el número de Peukert se incrementa conforme pasa el tiempo ya que también la batería se degrada.

Voltaje.

Conexiones de pilas o baterías

Cuando se usan varias pilas o baterías y asumiendo que todas son de la misma marca y con las mismas características, las dos maneras de conectarlas son en serie o en paralelo. Cuando se conectan en serie, el voltaje total es igual a la suma del voltaje de cada una mientras que la capacidad total es igual a la capacidad de una sola pieza -batería o pila-

En cambio, cuando las pilas/baterías se conectan en paralelo, el voltaje total del arreglo es igual al voltaje de una sola pila/batería mientras que la capacidad total es igual a la suma de la capacidad de cada pila/batería.

Cuidados con el manejo y conexiones de las pilas y baterías

Es importante recordar que nunca deben conectarse las terminales de las pilas/baterías directamente porque, al tener una resistividad interna muy baja, el flujo de corriente es muy grande que ocasiona que la pila/batería se sobrecaliente, se dañe e incluso que pueda explotar.

En cuanto a las baterías recargables, debe usarse un cargador apropiado para cada tipo de baterías y las baterías deben conectarse a la polaridad correspondiente.

En un arreglo en serie de pilas, se debe asegurar que todas las pilas se encuentren en buenas condiciones ya que si una de ellas se encuentra descargada, entonces ésta pila actuará como una carga más, además de que ese voltaje será inverso al que suministra la pila buena, provocando daños en la pila buena y en la carga. Este fenómeno se conoce como carga reversible.

Los temas relacionados con las baterías son extensos, por lo que mencionar y dar detalles de cada tipo de batería resultaría excesivo para este espacio, por lo que sería mejor hablar de cada tipo por separado. Conforme vaya encontrándose datos adicionales que puedan enriquecer este tema. se irá actualizando y mejorando el tema de este blog, así que por lo pronto se recomiendan algunos sitios. Por ejemplo, este sitio contiene información buena y detallada acerca de las baterías tipo ion-litio:

http://electronics.howstuffworks.com/everyday-tech/lithium-ion-battery.htm

También en este libro se puede indagar más al respecto:

Platt, Charles, Encyclopedia of Electronics Components. Power Sources & Conversion, Volume I,O’Reilly Media Inc., U.S.A., Pages 5-16.