tipos de baterías
nuestros viejos amigos
plomo-ácido
¿Cuándo fue la última vez que tuvo que sacar su manivela, insertarla en el cigüeñal de su automóvil y darle un buen giro para que el motor funcione? Nunca? Eso es porque tenemos baterías de plomo-ácido conectadas a los motores de nuestros automóviles que proporcionan esa ráfaga de energía que el motor necesita para ponerse en marcha. Estos fueron inventados por Gaston Planté en 1859.
como su nombre indica, estas baterías tienen algo de plomo en ellas. De hecho, ambos electrodos (los conductores a través de los cuales la electricidad entra o sale de la batería) contienen algo de plomo—el ánodo (electrodo cambiado positivamente) está hecho de metal de plomo (Pb) y el cátodo (el electrodo cargado negativamente) es dióxido de plomo (PbO2). Los electrodos se colocan dentro de una solución electrolítica de ácido sulfúrico (H2SO4), que se compone de iones de hidrógeno (H+) e iones de bisulfato (HSO4).,
el plomo en el ánodo reacciona con el bisulfato del electrolito, liberando algunos electrones, y produciendo sulfato de plomo, que forma cristales sobre el ánodo, e iones de hidrógeno que entran en el electrolito. Los electrones viajan al cátodo a través de un circuito externo, donde, junto con el bisulfato y los iones de hidrógeno del electrolito, reaccionan con el cátodo de dióxido de plomo. Esto también produce sulfato de plomo, que de nuevo forma cristales, esta vez en el cátodo.,
Las baterías de plomo-ácido son recargables—las de nuestros coches se cargan usando un pequeño generador conectado al motor, llamado alternador. Es por eso que cuando haya dejado las luces de su automóvil encendidas y la batería se haya agotado, es aconsejable conducir durante un tiempo después de obtener el arranque para darle tiempo a la batería para volver a cargarse.
a medida que la batería se carga, las reacciones químicas descritas anteriormente que producen la electricidad se ven forzadas hacia atrás. Los recubrimientos de sulfato de plomo se disuelven y se devuelven al electrolito como iones Pb2 + y SO42 -., Los iones Pb2 + luego recogen dos electrones y se vuelven a platear en el ánodo como Pb neutro.
en el cátodo, los iones Pb2 + dan dos electrones para formar y reaccionar con moléculas de agua (H2O) para volver a formar dióxido de plomo neutro en el cátodo, y algunos iones bisulfato que vuelven a la solución electrolítica.
sin embargo, si se permite que una batería de plomo-ácido se descargue demasiado, o se deja demasiado tiempo antes de recargarse, los recubrimientos de sulfato de plomo se forman en cristales duros que no se pueden eliminar durante el proceso de carga.,
Ultrabattery
desarrollada en CSIRO, la Ultrabattery es una versión mejorada de una batería de plomo-ácido tradicional. Combina la tecnología estándar de baterías de plomo-ácido con un supercondensador. Cuando una batería de plomo-ácido normal se descarga, la reacción que la impulsa resulta en la formación de cristales de sulfato de plomo tanto en el ánodo como en el cátodo. El proceso de recarga elimina estos recubrimientos, pero los electrodos (y por lo tanto la batería) se degradan con el tiempo., Además, a la batería no le gusta funcionar en un estado de carga parcial, una condición en la que la batería está sujeta a ciclos cortos repetidos de descarga y recarga, sin vaciar completamente la batería o cargarla completamente. Este estado parcial de funcionamiento de la carga es particularmente importante para los vehículos.
La UltraBattery utiliza el supercapacitor para compensar las reacciones problemáticas de los electrodos de plomo en la batería de plomo-ácido, aumentando su vida útil., Debido a que un supercondensador puede absorber y almacenar la carga muy rápidamente, puede engullir la energía disponible y luego alimentarla a la batería a la velocidad correcta. Se las arregla para reducir la acumulación de sulfatos que resultan del proceso de descarga–recarga en una batería de plomo-ácido estándar.
La UltraBattery también es comparativamente barata de fabricar, alrededor del 70 por ciento más barata que las baterías de iones de litio utilizadas actualmente en los automóviles eléctricos híbridos. Otro uso potencial de la Ultrabateria sería en las centrales eléctricas, para almacenar y «suavizar» la energía producida por fuentes renovables como la solar y la eólica., En ensayos de parques eólicos a gran escala en Australia, La UltraBattery ha superado a las baterías convencionales de plomo-ácido.
- ¿Qué es un supercapacitor?
un condensador es como una batería but pero no realmente. La energía de una batería proviene de la reacción química entre sus componentes. La electricidad es generada por el flujo de electrones dentro de la reacción redox entre el ánodo y el cátodo.
un condensador también proporciona energía, pero no proviene de una reacción química., Los condensadores están hechos de dos placas conductoras, con un dieléctrico o un aislante (una sustancia que no conduce electricidad) en el medio. Cuando estas placas están conectadas a una corriente eléctrica, la corriente fluye en ellas; una placa almacena una carga negativa en sus átomos de superficie, y la otra una carga positiva, de nuevo en los átomos de superficie. Debido a que estas placas cargadas de manera diferente están separadas por el dieléctrico no conductor, se crea un campo eléctrico, que almacena la energía eléctrica. Cuando el condensador está conectado a otro circuito, libera (descarga) la energía eléctrica.,
Los condensadores generalmente liberan su energía muy rápidamente-proporcionan ráfagas rápidas de energía. Esto los hace útiles para tareas bastante específicas, como encender el flash en una cámara. El flash utiliza rápidamente una gran cantidad de energía para crear la luz brillante, luego el condensador se recarga de la batería de la cámara para que pueda ser utilizado de nuevo para la siguiente foto.
una nube es un condensador-como pequeñas partículas de hielo en la nube chocan entre sí y otras partículas de humedad, los electrones pueden ser derribados. Estos electrones tienden a acumularse dentro de las regiones más bajas de la nube., Las pequeñas partículas, ahora cargadas positivamente, se elevan hacia la parte superior de la nube. Esto significa que una separación de carga, y un campo eléctrico, se acumula dentro de la nube. A medida que la carga negativa en la parte inferior de la nube aumenta en fuerza, repele otras cargas negativas de ella—empuja los electrones en la superficie de la Tierra más profundamente en el suelo, lo que significa que una carga positiva se acumula en la superficie. Terminamos con una región con carga negativa (el fondo de la nube), separada de una región con carga positiva (el suelo) por un mal conductor de electricidad (el aire)., Cuando el campo eléctrico en la nube crece lo suficientemente fuerte, puede «descomponer» el aire circundante en partículas ionizadas (cargadas), transformándolo de un aislante no conductor en un conductor. La energía eléctrica almacenada en la nube se libera instantáneamente, en un relámpago.
los supercondensadores son simplemente condensadores extra potentes, con mayor capacidad. Esto significa que son capaces de almacenar mucha más energía eléctrica que los condensadores normales.,
níquel-cadmio
aunque ahora son noticias claramente Antiguas, Las baterías de níquel-cadmio (NiCad) fueron las primeras baterías recargables utilizadas en herramientas eléctricas, antorchas y otros dispositivos portátiles. Estos eran los tipos de nuestros teléfonos móviles antes de que las baterías de iones de litio los arrancaran. A veces todavía se encuentran como viejas baterías recargables AA para antorchas y juguetes. Al igual que la batería de plomo-ácido, esta química celular ha existido durante mucho tiempo: ¡las primeras baterías NiCad salieron a la venta en 1910!,
el ánodo está hecho de cadmio (Cd) y sus cátodos son hidróxido de óxido de níquel (NIO(OH)2), generalmente con un electrolito de hidróxido de potasio (KOH).
El hidróxido de óxido de níquel hace un electrodo muy bueno, ya que se puede producir para tener una gran superficie, y esto aumenta el área activa disponible para la reacción., Además, no reacciona con el electrolito durante la reacción, lo que mantiene la solución de electrolito agradable y pura y ayuda a que la célula dure un (relativamente) largo tiempo antes de que las molestas reacciones secundarias la degraden.
Las baterías NiCad tenían algunas deficiencias. En primer lugar, eran propensos a algo llamado «efecto memoria», donde las baterías «recordaban» los niveles de descarga anteriores y no se recargaban correctamente. Esto fue causado por la formación de cristales de cadmio grandes, en lugar de pequeños, durante el proceso de recarga., Asegurarse de que la batería se descargó correctamente antes de recargarla ayudó a prevenir este problema. Pero había que tener cuidado: la descarga completa de una batería NiCad también la dañó.
en segundo lugar, la tasa de autodescarga de una batería NiCad es de alrededor del 15-20 por ciento por mes. Esto significa que si se sentaban en el estante durante unos meses, perdían gran parte de su carga.
En tercer lugar, el cadmio es caro, y un metal pesado tóxico, lo que significaba que la eliminación de las baterías no era una buena cosa para el medio ambiente.,
hidruro de níquel-metal (NiMH)
estos problemas con las baterías NiCad llevaron al ánodo de cadmio a ser reemplazado por una aleación intermetálica Absorbente de hidrógeno (una combinación de metales con una estructura cristalina definida) que puede absorber hasta un 7% de hidrógeno en peso. Esencialmente, el ánodo es el hidrógeno; la aleación de metal simplemente sirve como un recipiente de almacenamiento para él.
la combinación más común de metales para esta aleación son los que tienen una fuerte capacidad de formación de hidruro, junto con un metal de formación de hidruro débil.,
otra consideración al armar la aleación de metal es que cuando algunos metales absorben hidrógeno, la reacción emite calor, es exotérmica. Otros absorben calor en una reacción endotérmica. Realmente no queremos una batería que produzca o succione calor a medida que se descarga, por lo que, junto con la combinación de formación de hidruro fuerte–débil de la que también está hecha la aleación, necesitamos una combinación de metales exotérmicos y endotérmicos.
Los electrones que producen la corriente eléctrica de la batería provienen de la oxidación de átomos de hidrógeno, que se convierten en protones., Estos protones reaccionan con iones hidróxido (OH -) del electrolito para producir agua. La aleación metálica que forma el ánodo junto con el hidrógeno no participa en la reacción química que impulsa la célula; es básicamente un espectador que solo proporciona un hogar para los iones de hidruro muy importantes.
Las baterías de níquel-hidruro metálico son muy similares a las baterías NiCad en términos de voltaje, capacidad y aplicación. El efecto memoria es un problema menor que con NiCads y tienen una densidad de energía más alta. Todavía se utilizan como el estándar para las baterías recargables AA.,
alcalinas
Las Pilas alcalinas se utilizan en juguetes, electrónica, los reproductores de CD portátiles que utilizamos en los años noventa y los Walkmans que fueron populares en los años ochenta. Representan la mayor parte de las baterías que se fabrican hoy en día, aunque su lugar en la parte superior probablemente pronto será disputado por las baterías de iones de litio en nuestros teléfonos, computadoras portátiles y un número creciente de otros dispositivos.
son populares porque tienen una baja tasa de autodescarga, lo que les da una larga vida útil y no contienen metales pesados tóxicos como plomo o cadmio. Aunque se han desarrollado baterías alcalinas recargables, estos tipos generalmente son de un solo uso. Una vez que están fuera de carga, se va al depósito de reciclaje (o, más generalmente, al vertedero, ya que no hay muchos lugares que los reciclen).
estas baterías tienen zinc como ánodo, y dióxido de manganeso (MnO2) como cátodo., Su nombre, sin embargo, proviene de la solución alcalina utilizada como electrolito. Por lo general, es hidróxido de potasio (KOH), que puede contener una gran cantidad de iones disueltos. Cuantos más iones pueda absorber la solución electrolítica, más tiempo podrá continuar la reacción redox que impulsa la batería.
el ánodo de zinc generalmente está en forma de polvo. Esto le da una mayor superficie para la reacción, lo que significa que la célula puede liberar su poder con bastante rapidez., Cede sus electrones al cátodo de dióxido de manganeso, al que se añade carbono, en forma de grafito, para mejorar su conductividad y ayudarle a mantener su forma.
y esto nos lleva a las baterías que hoy en día alimentan la mayoría de nuestros teléfonos inteligentes y portátiles: las baterías de iones de litio. Estos chicos son tan importantes que queríamos tratarlos con el respeto (y detalle) que se merecen, por lo que puedes leer sobre ellos en su propia función Nova.