Baterías de Litio

Baterías de Litio

Hay tres tipos de baterías de iones de litio a base de diferentes materiales catódicos, como el óxido de cobalto, óxido de manganeso y fosfato de hierro.

La batería de óxido de cobalto/litio tiene la ventaja de su alta densidad de energía, pero acarrea graves problemas de seguridad. La batería de litio / óxido de manganeso es la de mayor utilización por sus características y seguridad pero su mal rendimiento a altas temperaturas es su mayor inconveniente mientras que las de litio / fosfato de hierro tiene las mejores características de seguridad, ciclo de vida largo (mas de 2000 ciclos) y una buena disponibilidad.

Las baterías recargables con base de litio están disponibles en dos composiciones químicas similares: ión litio (Li-Ion) y polímero de litio (Li-Po). Ambas producen entre 3,6 y 3,7 voltios. Las baterías de litio proporcionan más densidad energética que las baterías de níquel, lo que da lugar a una mayor autonomía de batería en un diseño más ligero, ya que el litio es el metal más liviano que existe.

I = Lithium Ion
C/M/F = cobalt/manganese/iron phosphate chemistry
R = Redonda (Round)
ICR 18650= Lithium cobalt oxide (traditional) cylindrical cell
IMR 18650= Lithium manganese oxide cylindrical cell
IFR 18650= Lithium iron phosphate cylindrical cell

La batería de Litio también denominada batería Li-Ion, funciona de la siguiente manera, es una pila recargable con dos o mas celdas donde están separados los iones de litio, cuando funciona en modo de descarga sucede que los iones de una y otra celda se combinan químicamente para formar el elemento estable, esta combinación se produce de forma exotérmica, es decir, produce energía que es la que se aprovecha, cuando se ha agotado la batería es porque todos los iones están en su estado fundamental y no quedan mas para seguir combinándose.

Las baterías utilizan las reacciones electro químicas para producir una corriente eléctrica. Esencialmente, la energía química del material almacenada en la batería se convierte en energía eléctrica a través de una reacción química. La batería consta de tres elementos, un cátodo, un ánodo y un electrolito para separarlas.

Una reacción química se produce cuando hay un exceso de electrones en el ánodo. Éstos simplemente no pueden escapar al cátodo debido a que los dos están separados por el electrolito. Cuando la batería está conectada a un circuito, los electrodos se ejecutan a través del circuito desde el ánodo al cátodo y la energía se pueden extraer de éstos a lo largo del camino.

Estructura de las Tubulares de Litio

La química más común para las baterías de litio tiene un ánodo de litio metálico, el dióxido de manganeso como un cátodo y una sal de litio disuelta en un disolvente orgánico como el electrolito. Despiece y sección de una batería de Litio tipo 18650.

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Sabía que hay Baterías Falsas?, Las abrimos para ustedes

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Interesante estudio sobre las baterías de Litio

Detalle de una Batería de Litio protegida

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Vista con un microscopio. 

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Las partículas rojas contienen litio, las verdes no.

Que es el Ratio “C”

Se denomina ratio “C” la capacidad de descarga máxima de la batería, por ejemplo una batería de 2400mA y con C de ratio, admite una descarga máxima de 2.400mA, es decir que se puede conectar una carga de hasta 2.4A, lo mismo ocurre con el ratio de carga pero en el proceso de recarga.

De todo esto se deducen varias cosas, primera, que no es bueno dejar agotarse totalmente una batería por debajo de 2.75v ya que cuando TODOS los iones forman el átomo estable, es mas difícil y se necesita mas energía para iniciar la ruptura de los átomos y por tanto la carga, con el consiguiente perjuicio para le estructura de celdas y su agotamiento total. Vida útil: 400~500 ciclos de carga-descarga.

Ventajas

  • Una elevada densidad de energía: Acumulan mucha mayor carga por unidad de peso y volumen.
  • Poco peso: A igualdad de carga almacenada, son menos pesadas y ocupan menos volumen que las de tipo Ni-MH y mucho menos que las de Ni-Cd y Plomo.
  • Alto voltaje por célula: Cada batería proporciona 3 o 3,6/3.7 voltios, lo mismo que tres baterías de Ni-MH o Ni-Cd (1,2 V cada una).
  • Carecen de efecto memoria.
  • Descarga lineal: Durante toda la descarga, el voltaje de la batería varía muy poco. es una ventaja, ya que es muy fácil saber la carga que almacena la batería.
  • Muy baja tasa de auto descarga: Cuando la guardamos, ésta se descarga progresivamente aunque no la usemos. En el caso de las baterías de Ni-MH, esta auto descarga puede suponer más de un 20% mensual. En el caso de Li-Ion es de menos un 6% en el mismo periodo. Mucha de ellas, tras seis meses en reposo, pueden retener un 80% de su carga.

Inconvenientes

  • A pesar de todas sus ventajas, esta tecnología no es el sistema perfecto para el almacenaje de energía, pues tiene varios defectos, como pueden ser:
  • Duración media: Depende de la cantidad de carga que almacenen, independientemente de su uso, aproximadamente 500 ciclos.
  • Tienen una vida útil de unos 2-3 años o más si se almacenan con un 40% de su carga máxima.
  • Soportan un número limitado de cargas: entre 300 y 500, menos que una batería de Ni-Cd/Ni-MH, por lo que hoy día ya empiezan a ser consideradas en la categoría de consumibles.
  • Su fabricación es más costosa que las de Ni-Cd/Ni-MH, si bien actualmente el precio baja rápidamente debido a su gran penetración en el mercado.
  • Peor capacidad de trabajo en frío: Ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de Ni-Cd/Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un 25%.

Formas y tamaños

La mas conocidas son la cilíndricas o tubulares que se usan en cámaras de fotografía y video, MP4, Ipod, Linternas, Tabletas, etc.

lifepo4-battery-cellsLa mayoría de las baterías de litio cilíndricas, se identifican mediante código numérico que corresponden con las medidas (diámetro x largo).

Ejemplo, las 18650 su medida es 18x65mm

14500 (14x50mm)

26650 (26x65mm)

Y así sucesivamente con excepción de las CR123 o RCR123 que son similares a las 13640 (16x34mm).

Capacidades Máximas hasta 2016:

18650: desde 1.600mA hasta 3.450mA

17670: desde 1.600mA hasta 1.800mA

10440: desde 300mA hasta 600mA

14500: desde 400mA hasta 900mA

CR123: desde 300mA hasta 800mA

18350: desde 600mA hasta 1.200mA

18500: desde 800mA hasta 1.800mA

16340: desde 400mA hasta 1.200mA

25500: desde 3.000mA hasta 4.000mA

26650: desde 3.000mA hasta 5.000mA

32650: desde 4.000mA hasta 6.000mA

Tipos de contactos de las baterías

contactos-de-bateriasBaterías Panasonic NCR18650/A/B/PF, las hay también protegida.

El grupo Sanyo-Panasonic tiene varias fábricas ubicadas en Osaka y Kinokawa City Wakayama Japón, Jiangsu Suzhou China, India Jhajjar, Nevada y Palo Alto USA en colaboración con Tesla Motors, debido a la gran demanda mundial y especialmente para los vehículos eléctricos TESLA

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Esta versión se fabrica especialmente para los vehículos eléctricos de Teslacell_top-for-tesla-only-300x174

Ultrafire nos enseña sus Baterías por dentro para romper con las falsas que se venden en plataforma chinas.

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Introducción

Nuestro Blog sólo pretende informar acerca de las Pilas y Baterías

Definición: 

Una pila 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 el caso de la traducción al ingles (Battery) es lo mismo para los dos casos.

En el castellano ha habido por costumbre llamarla así, mientras que al dispositivo recargable o acumulador, se le ha venido llamando batería. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos del estudio de la electricidad, cuando se juntaban varios elementos o celdas en el primer caso uno encima de otro “apilados” y en el segundo adosados lateralmente “en batería” como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. De esta explicación se desprende que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier tipo, pero la costumbre ha fijado la distinción.

HISTORIA

Origen de la Pila Voltaica:

Es posible que en tiempos muy remotos la gente ya hubiera explorado y probado la electricidad. Una batería muy rudimentaria de hace miles de años fue encontrada cerca de Baghdad en 1932. Era una batería que contenía un núcleo de hierro insertado en cilindro delgado de cobre. Tal vez fue diseñada para almacenar electricidad estática. La historia de esta antigua batería tal vez nunca la sepamos, pero lo que si se sabe es que en la antigua Grecia ya se conocía el efecto que tenía una pieza de ámbar cuando era frotado con otro material: tenía la propiedad de atraer cuerpos ligeros. Pero la historia de la batería es mucho más reciente.

En 1780 Luis Galvani, profesor de anatomía de la Universidad de Bolonia, Italia, al realizar un experimento, observó que las ancas de una rana recién muerta se crispaban y pataleaban al tocárselas con dos barras de metales diferentes. La explicación del fenómeno la dio poco tiempo después Alejandro Volta, profesor de física de la Universidad de Pavía, Italia, quien descubrió que la causa de tales movimientos crispantes de las ancas de la rana se hallaban en el paso de una corriente eléctrica producida por los dos metales diferentes; investigó como producir electricidad por reacciones químicas y en 1800, después de una amplia experimentación, inventó un dispositivo que se conoce como pila voltaica. Colocó una serie de pequeñas placas de cinc y plata, en pares, una arriba de la otra, separando cada par de placas por una tela humedecida con agua salada; el conjunto produjo una corriente eléctrica y fue este el origen de la primera pila eléctrica. Pronto la perfeccionó reemplazándola por una pila de dos elementos; cobre y cinc, sumergidos en una solución de ácido sulfúrico contenida en un recipiente.

En  esta sencilla forma de pila primaria, las placas de cinc y de cobre están separadas por el electrolito. Si se conectan con un alambre, la corriente eléctrica fluye a través del conductor, pero tan pronto como el circuito se interrumpe porque el alambre se desconecta, deja de fluir. Esta pila no dura indefinidamente, ya que el ácido sulfúrico ataca al cinc, y cuando éste se consume, la pila se agota. Para reactivarla, será necesario reponer la placa de cinc y el ácido del electrólito. Debido a las reacciones químicas que tienen lugar dentro de la pila, se desprenden pequeñas burbujas de hidrógeno que se adhieren al electrodo de cobre y forman una capa aislante; cuando esto sucede, la corriente no pasa y se dice que la pila está polarizada. Para eliminar este inconveniente, se agregan ciertas sustancias químicas que se combinan con el hidrógeno y evitan los efectos polarizantes.

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 agua o 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 conectados en serie permitía aumentar la tensión a voluntad, otro descubrimiento de Volta. El invento constituía una novedad absoluta, 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.

En 1813, Sir Humphrey Davy conecto una batería gigante en el sótano de la Sociedad Real Británica. Esta batería estaba hecha de 2,000 pares de platinas y tenía el tamaño de 100 m2. Con esta batería realizó muchos experimentos que permitieron un más profundo conocimiento de la naturaleza de la electricidad.

Michael Faraday estaba utilizando pilas voltaicas para realizar estudios en electricidad y magnetismo. Descubrió que enviando corriente por un conductor, un campo magnético se inducía en un conductor paralelo (el inicio del electromagnetismo).

Continuando con sus estudios y experimentos Faraday descubrió en 1831 que un magneto en movimiento podía generar electricidad en un conductor cercano. De esta manera se dio nacimiento al dinamo.

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 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 sólo 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 ºC. =

La pila Daniell, dada a conocer en 1836 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.

Poco a poco los científicos fueron mejorando la idea original de la batería de Volta y en 1860 George Leclanche de Francia desarrollo la primera batería utilizada ampliamente (la célula de zinc carbón) El ánodo era de zinc y una aleación de mercurio y el cátodo era un compuesto de dióxido de magnesio y un poco de carbón. Ambos: ánodo y cátodo fueron sumergidos en una solución de cloruro de amonio, que actuaba como electrolito. El sistema fue llamado “célula mojada”. Aunque la idea de Leclanche era barata fue desplazada en 1880 por la célula seca

En el año 1920 un joven científico, Samuel Ruben y un también joven empresario llamado Philip Rogers Mallory se conocieron cuando Ruben visitó la fabrica de Mallory buscando un equipo que necesitaba para un experimento.

Juntos vieron el futuro en sus proyectos y unieron la inventiva de uno con el poder de manufactura del otro. Esta unión que se mantuvo hasta la muerte de Mallory en 1975 fue la base de la empresa que todos conocen: Duracell International.

Las invenciones de Samuel Rubens revolucionaron la tecnología de las baterías. El creó la pila de mercurio que era mucho más eficiente que la que se utilizaba antes de zinc carbón. Este invento fue especialmente útil en la segunda guerra mundial.

En el año 1950 Samuel Ruben mejoró la batería alcalina de magnesio haciéndola más resistente, compacta y de una gran duración.

La empresa Kodak introdujo cámaras con flash incorporado y necesitaba este tipo de pilas en tamaño AAA. La empresa Mallory las creó.

La demanda en el mercado fotográfico era muy grande y fue este el motivo de la creación de la empresa Duracell en el año 1964.

Símbolo de una pila (izquierda); modelo eléctrico simplificado (centro); modelo más elaborado (derecha).

Battery_symbols_and_circuitPrincipio de funcionamiento

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.

La pila Cu-Ag, un ejemplo de reacción redox.

Pila_Cu_AgUna celda voltáica para usar en demostraciones. En este ejemplo las dos semi celdas están conectadas por un puente salino que permite la transferencia de iones, pero no moléculas de agua.

ElectrochemCell

La diferencia de potencial, voltaje o tensión que produce un elemento electroquímico o celda electroquímica viene determinado por la naturaleza de las sustancias de los electrodos y del electrolito, así como por su concentración. Walther Nernst obtuvo el premio Nobel de química de 1920 por haber formulado cuantitativamente y demostrado las leyes que rigen este fenómeno.

Un artefacto para verificar el voltaje de una batería.

La conexión de los elementos en serie (apilando elementos o poniéndolos en batería) permite multiplicar esta tensión básica cuanto se quiera.

Las propiedades puramente eléctricas de una pila se representan mediante el modelo adjunto. En su forma más sencilla, está formado por una fuente de tensión perfecta, es decir, con resistencia interna nula en serie con un resistor que representa la resistencia interna. El condensador de la versión más compleja es enormemente grande y su carga simula la descarga de la pila. Además de ello, entre los terminales también aparece una capacitancia, que no suele tener importancia en las aplicaciones de corriente continua.

Una vez fijada la tensión, la ley de Ohm determina la corriente que circulará por la carga y consecuentemente el trabajo que podrá realizarse, siempre que esté, naturalmente, dentro de las posibilidades de la pila, que no son infinitas, sino que están limitadas fundamentalmente por el tamaño de los electrodos —lo que determina el tamaño externo de la pila completa— y por su separación. Estos condicionamientos físicos se representan en el modelo de generador como una resistencia interna por la que pasaría la corriente de un generador ideal, es decir, de uno que pudiese suministrar una corriente infinita al voltaje predeterminado.

Conforme la célula se va gastando, su resistencia interna va aumentando, lo que hace que la tensión disponible sobre la carga vaya disminuyendo, hasta que resulte insuficiente para los fines deseados, momento en el que es necesario reemplazarla. Para dar una idea, una pila nueva de las ordinarias de 1,5 V tiene una resistencia interna de unos 350 mΩ, mientras que una vez agotada puede aumentar considerablemente este valor. Ésta es la razón de que la mera medición de la tensión con un voltímetro no sirva para indicar el estado de una pila. En circuito abierto, incluso una pila gastada puede indicar 1,4 V, dada la carga insignificante que representa la resistencia de entrada del voltímetro, pero, si la medición se hace con la carga que habitualmente podría soportar, la lectura bajará a 1,0 V o menos, momento en que esa pila ha dejado de tener utilidad. Las actuales pilas alcalinas tienen una curva de descarga más suave que las antiguas de carbón. Su resistencia interna aumenta proporcionalmente más despacio.

Cuando se necesita una corriente mayor que la que puede suministrar un elemento único, siendo su tensión en cambio la adecuada, se pueden añadir otros elementos en la conexión llamada en paralelo, es decir, uniendo los polos positivos de todos ellos, por un lado, y los negativos, por otro. Este tipo de conexión tiene el inconveniente de que, si un elemento falla antes que sus compañeros o se cortocircuita, arrastra irremisiblemente en su caída a todos los demás.

En las características reacciones químicas, las que se producen dentro de una pila son sensibles a la temperatura y, normalmente, se aceleran cuando ésta aumenta, lo que se traducirá en un pequeño aumento de la tensión. Más importante es el caso de la bajada, pues cuando se alcanzan las de congelación muchas pilas pueden dejar de funcionar o lo hacen defectuosamente, cosa de la que suelen advertir los fabricantes. Como contrapartida, si se almacenan las pilas refrigeradas, se prolongará su buen estado.

Tipos de acumuladores por su naturaleza interna

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Por lo que a su naturaleza interna se refiere, características electroquímicas, se encuentran habitualmente en el comercio pilas de los tipos que se detallan a continuación.

Pila común o seca

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.

Ventajas: No se descargan si no están en uso.

Desventajas: Una pila puede llegar a contaminar 3 000 litros de agua

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.

Zinc 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.

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.

Pilas de mercurio con óxido-zinc:

Este sistema ocupa un electrolito alcalino. Ha sido largamente usada para el uso en pilas “botón” o las comúnmente usadas para relojes etc… Tienen una densidad energética de aproximadamente 4 veces mas que las pilas de zinc-manganeso. Es muy confiable y da casi siempre 1.35 volts, y gracias a esto se usa como una pila de referencia.

Pilas de plata con óxido-zinc:

Tipo alcalina. Aunque son caras, estas pilas son usadas cuando la densidad energética, el tamaño, y el peso son fundamentales. Después de años de que su uso fue restringido a minas y torpedos su uso se ha ido diversificando hasta llegar a la exploración submarina y sistemas de comunicaciones.

Esta pila exhibe un cátodo de oxido de plata y un ánodo de polvo de zinc. Debido a que puede relativamente soportar altas cargas y tiene una casi constante, 1.5 volts de producción, este tipo de pila también es usado frecuentemente en relojes etc… También podemos encontrarla en algunos torpedos de uso militar, debido a su gran fiabilidad y capacidad.

Pilas de Litio:

El área de investigación de las pilas que ha atraído mas la investigación en los últimos años ha sido el área de las pilas con un ánodo de litio. Debido a su alta actividad química se deben usar electrolitos no acuosos como por ejemplo sales cristalinas. Se han hecho pilas que no tienen separación alguna entre el ánodo y el cátodo liquido, algo imposible con pilas de sistema acuoso. Una capa protectora se forma automáticamente en el litio, pero esta se rompe en la descarga permitiendo voltajes cercanos a los 3.6 volts. Esto permite una gran densidad energética. Sus usos varían desde la aeronáutica, marcapasos a cámaras automáticas.

Pilas de sulfuro Litio-hierro:

Estas pilas en porte miniatura ofrecen grandes capacidades y bajo costo. En operaciones que requieren de 1.5 a 1.8 volts, estas pueden ser un substituto a algunos tipos de pilas alcalinas.

Pilas de dióxido de litio-manganeso: Estas poco a poco van ganando aceptación. Tienen un voltaje de 2.8 volts, una alta densidad energética y un costo bajo dentro de las pilas de litio.

Pilas de monofluoruro de litio-carbono:

Estas han sido una de las pilas de litios mas comercialmente exitosas, de larga vida, alta densidad energética, buena adaptación a temperaturas y con un voltaje de 3.2 volts. Sin embargo, el costo de monofluoruro de carbono es alto.

Pilas de Litio-thionyl (lithium-thionyl): este tipo de pila provee la más alta densidad energética disponible comercialmente. El cloruro de thionyl no sirve solo como un solvente del electrolito sino que también como material del cátodo. Su funcionamiento es impresionante, ya sea a temperatura ambiente o hasta -54 grados celcius, por muy debajo del punto donde sistemas líquidos dejan de funcionar. Su uso va de equipos militares, vehículos aerospaciales hasta los famosos beepers.

Pilas de dióxido de litio-sulfuro: Este tipo de pila ha sido extensivamente usado en los sistemas de energía de emergencia de muchos aviones entre otros usos. El cátodo consiste en un gas bajo presión con otro químico como electrodo salino; muy parecido al funcionamiento del sistema anterior. Este sistema funciona increíblemente bien, pero se ha encontrado que aveces luego de su uso en frío libera gases tóxicos tales como dióxido de sulfuro.

Pilas de aire-depolarizado.

Una manera muy practica de obtener alta densidad energética es usar el oxigeno en el aire como “liquido” del material del cátodo. Si es juntado con un ánodo tal como el zinc, larga vida a bajo costo, pueden ser obtenidos. La pila, eso sí, debe ser construida de manera tal de que el oxigeno no entre en contacto con el ánodo, el cual atacaría.

Pilas de zinc-aire:

El diseño y principio de estas pilas es relativamente simple, pero su construcción no lo es, ya que el electrodo de aire debe ser extremadamente delgado. Se han hecho muchos estudios y grandes avances se han hecho en el aire del sellado del aire y la optimización de este tipo de pilas.

Pilas de aluminio-aire:

Estas no han tenido una gran aceptación comercial, pero su pequeñísimo peso y su gran densidad energética potencial han hecho que grandes estudios se hayan llevado acabo en esta área, tales como prolongar la vida de esta pila entre otros. Si estos problemas son resueltos podríamos ver grandes aplicaciones para este tipo de pilas en el futuro, incluidos su uso en autos eléctricos o incluso camiones.

Pilas de ácido-plomo:

Este tipo de pila ha sido la pila recargable mas ampliamente usada en el mundo. La mayoría de este tipo de pilas son construidas de planchas de plomo o celdas, donde una de estas, el electrodo positivo, esta cubierto con dióxido de plomo en una forma cristalina entre otros aditivos. El electrolito esta compuesto de ácido sulfúrico, y este participa en las reacciones con los electrodos donde sulfato de plomo es formado y lleva corriente en forma de iones. Estudios demuestran que la pila de plomo-ácido tiene una densidad energética de aproximadamente 20 veces mayor que la de las pilas de niquel-cadmio o niquel-hierro.

La razón por la cual este tipo de pila ha sido tan exitosa es que tiene un gran rango de entregar gran o poca corriente; una buena vida de ciclo con una gran fiabilidad para cientos de ciclos, facilidad de recargar, su bajo costo en comparación al resto de las recargables, alto voltaje (2.04 volts por celda), facilidad de fabricación y la facilidad de sus componentes.

Pilas de hidróxido de niquel-cadmio:

Estas son las pilas portátiles más comunes que existen. Tienen la característica de poder dar corrientes excepcionalmente altas, pueden ser rápidamente cargadas cientos de veces, son tolerantes al abuso de sobrecarga. Sin embargo, comparadas con otros tipos de pila primarias e incluso con otras de su tipo, estas pilas son pesadas y tienen una limitada densidad energética. Estas pilas funcionan mejor si es que son dejadas a descargarse completamente antes de cargarse nuevamente, sino puede producirse un fenómeno conocido como el efecto de la memoria donde las celdas se comportan como si estas tuvieran menos capacidad para la cual fueron hechas. Su uso es muy variado podemos encontrarlas desde los sistemas de partida para los motores de un avión hasta en el walkman que uno esta usando. Este tipo de pila se comporta bien bajo temperaturas frías.

Pilas de hidróxido de niquel-zinc: están bajo investigación y si su vida puede ser alargada podrían ser un viable substituto para las pilas de niquel-cadmio.

Pilas de hidróxido de niquel-hierro: este tipo de pilas puede proveer miles de ciclos, pero no al recargar necesitan mucha energía y al funcionar se calientan mas de lo deseado.

Pilas de hidróxido de niquel-hidrógeno:

Estas pilas fueron desarrolladas principalmente para el programa espacial de los EE.UU. Los estudios demuestran que aleaciones de niquel pueden reversiblemente disolver o soltar hidrógeno en proporcionalmente a cambios en la presión y temperatura. Este hidrogeno serviría como un material de ánodo. Hay especulación de que este tipo de pila podría reemplazar a la de niquel-cadmio en alguna aplicaciones.

Pilas alcalinas recargables de dióxido de zinc-manganeso: Este tipo de pilas fueron diseñadas para actuar como substitutos en sistemas donde se requieran cantidades moderadas de energía.  Su gran densidad energética y su bajo costo incitan a mas estudios.

Baterias de litio

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-R6, AAA-R3, AAAA), A B, C, D, F, G, J y N, 6F22 (9v), 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.

369521048_230Adaptador-1xAA-LR14_020071216214342580Existen una normas internacionales para la estandarización de los tamaños y voltajes de las pilas para permitir la utilización de aparatos eléctricos a nivel mundial

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Reciclaje

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