Pilas y Baterias Acumuladores de energía electrica Funcionamiento






Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, físico italiano, hijo de una madre procedente de la nobleza y de un padre de la alta burguesía, recibió una educación básica y media de características humanista, pero al llegar a la enseñanza superior optó por una formación científica. En el año 1774, es nombrado profesor de física de la Escuela Real de Como. Justamente, un año después Volta realiza su primer invento de un aparato relacionado con la electricidad.

Con dos discos metálicos, separados por un conductor húmedo, pero unidos con un circuito exterior logra, por primera vez, producir corriente eléctrica continua, se inventa el electróforo perpetuo, un dispositivo que una vez que se encuentra cargado puede transferir electricidad a otros objetos.

Entre los años 1776 y 1778 se dedica a la química y descubre y aísla el gas de metano. Un año más tarde, en 1779, es nombrado profesor titular de la cátedra de física experimental en la Universidad de Pavia. Voltio, la unidad de potencia eléctrica, se denomina así en honor a este portentoso –en el buen sentido- de las ciencias. Sus trabajos fueron publicados en cinco volúmenes en el año 1816, en Florencia. Sus últimos años de vida los pasó en su hacienda en Camnago cerca de Como, donde fallece el 5 de marzo de 1827.

El fundamento de las pilas y acumuladores es la transformación de la energía química en eléctrica, mediante reacciones de oxidación-reducción producidas en los electrodos, que generan una corriente de electrones.

Cuando se unen mediante un hilo metálico dos cuerpos entre los cuales existe una diferencia de potencial, se produce un paso de corriente que provoca la disminución gradual de dicha diferencia. Al final, cuando el potencial se iguala, el paso de corriente eléctrica cesa. Para que la corriente siga circulando debe mantenerse constante la diferencia de potencial.

En 1800, Alejandro Volta inventó un aparato generador de corriente. La pila de Volta (que él llamó «aparato electromotor de columna»> estaba constituida por un conjunto de pares de discos, unos de cobre y otros de cinc, con un disco de tela impregnada en agua salada —o en cualquier otro líquido conductor— intercalado entre dos pares sucesivos. Se trataba de un dispositivo muy cómodo y manejable, que funcionaba de modo continuo, y que posibilitó la aparición de nuevos descubrimientos sobre electricidad.

esquema pila de volta

Funcionamiento de una pila electroquímica

El funcionamiento de una pila es sencillo, consiste básicamente en introducir electrones en uno de los extremos de un alambre y extraerlos por el otro. La circulación de los electrones a lo largo del alambre constituye la corriente eléctrica. Para que se produzca, hay que conectar cada extremo del alambre a una placa o varilla metálica sumergida en un electrolito que suele ser una solución química de algún compuesto iónico.

Cuando ese compuesto se disuelve, las moléculas se dividen en iones positivos y negativos, que se mantienen separados entre sí por efecto de las moléculas del líquido. El electrolito que utilizó Volta era ácido sulfúrico; cada una de sus moléculas, al disolverse en agua, se descompone en dos protones H+ (iones positivos) y un ion sulfatoSO4– (ion negativo).

Las varillas metálicas de cobre y cinc constituyen los electrodos, que deben ser sumergidos en el electrolito sin que lleguen a entrar en contacto. La placa de cobre es el electrodo positivo o ánodo y la placa de cinc el electrodo negativo o cátodo.

Al reaccionar el electrolito con las varillas se produce una transmisión de electrones, que han sido extraídos de la placa de cinc, hacia la placa de cobre, con lo que los átomos de cinc son oxidados e incorporados a la disolución, según la reacción:

Zn —> Zn2++ 2e

Esto ocurre así y no al revés, del cobre al cinc, porque los átomos de cinc tienen más tendencia que los de cobre a ceder electrones.

En la varilla de cobre se produce una reducción de los iones hidrógeno H+ de la disolución, ya que los electrones liberados por los átomos de cinc recorren el hilo conductor hacia la placa de cobre y son captados por los H+, que se convierten en átomos de hidrógeno y escapan en forma de gas. Estos electrones en movimiento son los que originan la corriente eléctrica.

Por su parte, los iones SO4 reaccionan con los cationes Zn2+ y se convierten en moléculas de sulfato de cinc.

2 H~+2e —> H2

Zn2+ + SO42– —> ZnSO4

Cuando se corta la conexión exterior entre las placas, los electrones no pueden desplazarse a lo largo del hilo de una placa a la otra, con lo que se interrumpe la reacción.

El dispositivo funciona mientras existan átomos de cinc para formar el sulfato correspondiente. Cuando la placa de cinc se ha desintegrado por completo ya no puede producirse la reacción, por lo que la pila ya no tiene uso. Por este motivo, las pilas de este tipo reciben el nombre de pilas primarias.

Baterías

Las pilas secundarias o acumuladores son aquellas que pueden recargarse, es decir pueden reiniciar el proceso mediante el aporte de energía de una fuente exterior normal mente un generador, que hace que los compuestos químicos se transformen en los compuestos de partida, al hacer pasar corriente a través de ellos en sentido opuesto

Un acumulador es, por tanto, un aparato capaz de retener cierta cantidad de energía en su interior, suministrada externamente, para emplearla cuando la necesite.

Así, una batería está formada por varios acumuladores, y puede ser ácida o calina en función’de la naturaleza del electrolito. Por ejemplo, las baterías de los coches son ácidas, porque contienen un electrolito de ácido sulfúrico en el que se sumergen una placa de plomo metálico y otra de dióxido de plomo. Las reacciones en este caso son las siguientes:

H2SO4 —> 2H+ + SQ42-

Cátodo:……………   Pb + S042 —->  PbSO4 + 2e

Ánodo: …….. PbO2 + S042- +4 H30+ +  2 e- —>  PbSO4 + 6 H20

Cuando se agota el plomo o el dióxido de plomo la batería está gastada y para recargarla se hace pasar una corriente eléctrica de la placa positiva a la negativa mediante un alternador o dinamo, de manera que el sulfato de plomo se vuelve a des componer en plomo en la placa negativa, y en la positiva en dióxido de plomo

En las baterías alcalinas el electrolito suele ser hidróxido potásico, y las placas son habitualmente, de níquel y de hierro.

Pilas de combustible

Para solucionar el problema del agotamiento definitivo de las baterías y acumuladores, Francis Bacon inventó en 1959 la llamada pila de combustible, en la que las sustancias que generan la corriente eléctrica no están contenidas en la propia pila, sino que se van aportando a medida que se necesitan.

La primera pila de combustible, también llamada pila Bacon, era alimentada por hidrógeno y oxígeno gaseosos. Contiene un electrolito de hidróxido potásico disuelto en agua, entre dos placas metálicas porosas que no permiten el paso del electrolito a través de ellas, pero sí su penetración parcial.

Uno de los electrodos es alimentado con el gas hidrógeno y el otro con el oxígeno, a presiones determinadas para que sólo pueda penetrar una parte de la placa. Es a través de los poros de los metales de las placas por donde entran en contacto los gases con el electrolito. En la placa negativa se produce una combinación de las moléculas de hidrógeno con los iones hidroxilo del electrolito, suministrando electrones. En la placa positiva los átomos de oxígeno capturan los electrones y se combinan con moléculas de agua para formar iones hidroxilo, que se disuelven en el electrolito.

Las reacciones continúan y la corriente eléctrica se mantiene mientras los electrodos estén conectados exteriormente y se produzca el aporte de oxígeno e hidrógeno. A veces es necesario utilizar un metal que actúe como catalizador de la reacción. El idóneo es el platino, pero debido a su elevado coste suele emplearse níquel.

Este tipo de pilas son ideales para el suministro de energía en estaciones espaciales o submarinas, por ejemplo, donde no es fácil el montaje de equipos generadores de tipo convencional. Sin embargo, no son válidas para sustituir a la batería de los automóviles, ya que se necesita un equipo auxiliar que caliente la pila y elimine el exceso de agua —en el caso de la pila Bacon— o de dióxido de carbono —en otros tipos similares que emplean carbonatos como electrolitos.

ALGO MAS..

LA CORRIENTE ELÉCTRICA NO ES ALMACENABLE
La electricidad usual nos llega por cables desde la central eléctrica. Pero la corriente no puede almacenarse en “tanques” del mismo modo que el agua, pues no es más que el movimiento de los electrones bajo la influencia de una “presión” o diferencia de tensión, o “voltaje”, o “fuerza electromotriz”. Por eso, cuando necesitamos accionar pequeños aparatos, como linternas o radiorreceptores no conectados con la central eléctrica, empleamos pilas secas y acumuladores. En éstos la electricidad se produce químicamente.

LA PILA DE VOLTA
Si colocamos dos placas de metales diferentes en un recipiente con agua acidulada (puede ser una placa metálica y otra de carbono), el ácido ataca al metal y se produce una serie de complicadas reacciones químicas. El ácido toma átomos de una de las placas metálicas y en cambio libera ios átomos de hidrógeno que ¡o constituían., pero los electrones del hidrógeno quedan en la placa, que por eso se sobrecarga negativamente.

Los átomos de hidrógeno sin electrón (iones hidrógeno) recuperan sus electrones a costa de la segunda placa, que entonces queda cargada positivamente. En conjunto sucede como si los electrones de la segunda placa pasaran a !a primera. Si están unidas a un circuito exterior, circulará una corriente eléctrica de la primera a la segunda.

Hay un inconveniente en este fenómeno. Los átomos de hidrógeno (ya completos) se adhieren a la segunda placa formando una capa aislante y en cuestión de segundos impiden el acercamiento de nuevos iones, deteniéndose completamente la reacción. Para evitarlo, en la práctica se agrega una sustancia química que se combina fácilmente con el hidrógeno y lo elimina dé la placa. También se suele reemplazar el ácido sulfúrico por cloruro de amonio, sustancia de manipulación mucho menos peligrosa.

Existen otras pilas húmedas: la de Weston, de cadmio y mercurio, muy constante y estable a temperatura fija: suele ser de vidrio y se la emplea para comparar voltajes. La pila de Lalande no usa ácido, sino sosa cáustica, zinc y óxido de cobre.   Trabaja bien en frío.   Su densidad es baja.

LA PILA SECA
La pila seca consiste en un receptáculo de zinc (“placa” negativa de la pila) en cuyo interior hay una varilla de carbón rodeada de una mezcla de polvo de carbón, bióxido de manganeso (MnOa), cloruro de amonio y cloruro de zinc en agua. La reacción química entre el cloruro de amonio (CINHJ y el zinc deja a éste con un exceso de electrones mientras la varilla de carbón, que actúa como segunda “placa”, queda con escasez de electrones, es decir, cargada positivamente.

El bióxido de manganeso actúa como despolarizador: elimina el hidrógeno adherido al carbón. La diferencia entre la pila seca y la húmeda consiste en que en la primera el electrólito, absorbido por un medio poroso, no fluye, no se escurre. El uso ha reservado este nombre a las pilas Leclanché, pero existen otras. La varilla de carbón no suele ser de grafito, sino de negro de humo proveniente de la combustión de acetileno. La pasta gelatinosa que contiene el electrólito puede ser de almidón y harina, o una bobina de papel: las pilas modernas usan metilcelulosa  con  mejores resultados.    El  voltaje  obtenido es 1,6; por cada amperio se consume  1,2 gramos de zinc.

ACUMULADORES
La pila voltaica y la pila seca se llaman primarias o irreversibles porque las reacciones químicas no pueden invertirse, ni volver a emplearse los materiales gastados. Una pila secundaria o reversible (por ejemplo, una batería de automóvil) puede cargarse nuevamente y emplearse otra vez haciendo pasar en sentido opuesto una corriente continua. Así se invierten las reacciones químicas que tuvieron lugar durante la generación de electricidad y los materiales vuelven a su estado original.

El acumulador de plomo es un ejemplo de pila secundaria. En lugar de placas se compone de rejillas para aumentar la superficie de contacto con la solución de ácido sulfúrico en agua destilada. Los huecos de una placa están llenas de plomo esponjoso y ios de la otra de bióxido de plomo (PbCW. La placa de plomo metálico (negativa) corresponde al  zinc y  la  de  bióxido de plomo equivale  ai carbón de la pila seca (positiva).

Ambas placas reaccionan con el ácido sulfúrico y se forma sulfato de plomo. El acumulador se agota cuando ambas placas quedan recubiertas con un depósito blanco de sulfato de plomo y paralelamente disminuye la concentración del ácido sulfúrico.

La corriente eléctrica de recarga regenera en una placa el plomo esponjoso, en la otra el bióxido de plomo, y restituye el ácido sulfúrico al agua. La “batería” completa consta de varios acumuladores conectados  entre  sí  para  aumentar  la  tensión  eléctrica   o voltaje del conjunto.

Los acumuladores convienen para descargas breves de alto nivel (estaciones telefónicas, locomotoras, automóviles). Los nuevos plásticos les confieren menor peso. En autos y aviones las placas delgadas permiten reducir peso y espacio y proporcionar mejor rendimiento a bajas temperaturas. Pero las placas gruesas son sinónimo de larga vida, más o menos 1.000.000 de ciclos cortos.

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