PILAS Y BATERIAS
Pilas primarias (Tipo Zinc-Oxido 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 ya sea en polvo o en láminas corrugadas. El electrodo positivo es una mezcla de óxido de mercurio y grafito, moldeado a presión, contenidos en un envase de acero. El electrólito es una solución de hidróxido de potasio y óxido de zinc. Se utiliza material celulósico como separador y para empastar el electrólito.
Construcción de la pila zinc-mercurio
El voltaje de esta pila cuando no se la utiliza es de 1,34 volts, pero con un drenaje normal de corriente, esta tensión cae entre 1,31 y 1,24 voltios. Comparadas con la mayoría de los otros tipos de pilas primarias, las de zinc-óxido de mercurio poseen ventajas. El voltaje durante su vida útil (ciclo de descarga) es prácticamente constante , y su capacidad para proveer electrones al electrodo negativo es superior a la pila zinc-carbón . Permite una corriente relativamente alta , que puede mantener durante un tiempo considerablemente largo. Estas condiciones se cumplen aún a temperaturas altas. Sin embargo las pilas zinc-mercurio son relativamente caras y su aplicación se encuentra principalmente donde su reducido tamaño (12 a 25 mm de diámetro y cuanto más 25 mm de altura) constituye una ventaja. Algunas de sus aplicaciones son: aparatos para sordos, radios pórtátiles, equipos de comunicaciones , instrumentos eléctricos, instrumental científico , y en algunos casos como voltaje de referencia.
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 .
Pila secundaria (plomo-ácido)
Las baterías de almacenamiento o acumuladores
consisten en conjuntos de células secundarias. Mientras una
célula primaria depende de un consumo irreversible de sus
partes componentes, 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 gaste. La batería de un automóvil está constituida
por un conjunto de acumuladores de plomo. Cada uno contiene dos
placas de plomo que adoptan la forma de rejillas para aumentar el
área superficial. Los orificios de la rejilla negativa se
llenan con plomo esponjoso; los de la rejilla positiva con bióxido
de plomo. 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
en agua destilada. 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 y
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 agotado, o está 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.
Si la batería recargada se conecta, por ejemplo con el circuito
de un automóvil, comienza a descargarse. Es decir, suministra
electricidad al circuito hasta que nuevamente se descarga. El voltaje
nominal de una célula de plomo es aproximadamente de dos
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.
Hay también células secundarias
alcalinas, que tienen un electrólito de hidróxido
de potasio diluido y una placa positiva de hidrato de níquel
. La placa negativa puede ser hierro o cadmio. Un artefacto que
se aplica particularmente a los vehículos eléctricos
es la batería de aire y cinc. Aunque se trata de una batería
primaria, puede recargarse sustituyendo el electrodo de cinc cuando
éste se agotó y se convirtió en óxido
de cinc.
Otra forma interesante con relación a la
aplicación de energía motriz está constituida
por la célula a combustible o pila de gas.
La electricidad se genera directamente mediante
reacciones químicas, por ejemplo, combinación de oxígeno
con hidrógeno en presencia de electrodos adecuados, con formación
de agua. Como esta sustancia es importante para los astronautas,
tales pilas se han utilizado en satélites artificiales .
Vista en corte de un acumulador acido . |
La diferencia principal entre la pila primaria y la secundaria, es que esta última es recargable. Esto significa que luego que ha estado en uso y se ha descargado, se puede invertir su acción química y la pila se recarga. La más popular y ampliamente usada de las pilas secundarias, es el acumulador plomo-ácido, para automóviles. Cuando está totalmente cargado, este acumulador tiene un voltaje de salida aproximado de 2,2 volts. Las baterías para automóviles generalmente contienen tres o seis de estos elementos. La pila plomo-ácido es capaz de dar corriente extremadamente alta, de varios cientos de amperios.
Los dos metales distintos de la pila plomo-ácido son plomo (Pb) en forma de una placa formada por metal finamente dividido, y perióxido de.plomo (PbO2). El plomo es el electrodo negativo y el peróxido el positivo. Estos materiales son relativamente blandos y se pasan por las aberturas de una rejilla que forma una placa corrugada. El electrólito es ácido sulfúrico (H2SO4) mezclado con agua destilada (H2O). Una pila está formada por varias placas negativas y positivas, unidas y contenidas dentro de un recipiente, junto con el electrólito. Las condiciones en que se halla la pila puede ser medida con un densímetro, que determina la gravedad específica del electrólito (peso del electrólito comparado con el peso del agua). Cuando está totalmente cargada, su densidad puede ser de 1,25; cuando está descargada de 1,1. |
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) son de plomo y las positivas 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, dado que ambos electrodos no son dilerentes, f.e.m. entre ellos es mínima.
Ciclo de carga y descarga de un acumulador del tipo ácido .
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 perióxido. El
sulfato retorna ai 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.
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