17.5: Batteries and Fuel Cells

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Habilidades para desarrollar

Clasifique las baterías como primarias o secundarias
Liste algunas de las características y las limitaciones de las baterías
Proporcionar una descripción general de una pila combustible

Una batería es una celda electroquímica o una serie de celdas que produce una corriente eléctrica. En principio, cualquier celda galvánica se puede usar como una batería. Una batería ideal nunca se agotaría, produciría un voltaje invariable y sería capaz de soportar condiciones ambientales extremas de calor y humedad. Las baterías reales crean un equilibrio entre las características ideales y las limitaciones prácticas. Por ejemplo, la masa de la batería de un automóvil es de aproximadamente 18 kg o aproximadamente el 1% de la masa de un automóvil o camión liviano promedio. Este tipo de batería proporcionaría energía casi ilimitada si se usara en un teléfono inteligente, pero no se podría usar para esta aplicación debido a su masa. Por lo tanto, ninguna batería es la "mejor" y las baterías se seleccionan para una aplicación en particular, teniendo en cuenta aspectos como la masa de la batería, su costo, confiabilidad y capacidad actual. Hay dos tipos básicos de baterías: primaria y secundaria. Después, se describen algunas baterías de cada tipo.

Visite este sitio para aprender mas sobre las baterías.

Baterías primarias

Las baterías primarias son baterías de un solo uso porque no se pueden recargar. Una batería primaria común es la celda seca (Figura \(\PageIndex{1}\)). La celda seca es una batería de zinc-carbono. La lata de zinc sirve como un recipiente y como el electrodo negativo. El electrodo positivo es una varilla de carbono rodeada por una pasta de óxido de manganeso (IV), cloruro de zinc, cloruro de amonio, polvo de carbono y una pequeña cantidad de agua. La reacción en el ánodo se puede representar como la oxidación ordinaria del zinc:

\[\ce{Zn}(s)⟶\ce{Zn^2+}(aq)+\ce{2e-} \hspace{20px} E^\circ_{\ce{Zn^2+/Zn}}=\mathrm{−0.7618\: V}\]

La reacción en el cátodo es más complicada, esto es porque ocurre más de una reacción. La serie de reacciones que ocurren en el cátodo es aproximadamente

\[\ce{2MnO2}(s)+\ce{2NH4Cl}(aq)+\ce{2e-}⟶\ce{Mn2O3}(s)+\ce{2NH3}(aq)+\ce{H2O}(l)+\ce{2Cl-}\]

La reacción general de la batería de zinc-carbono se puede representar como

\[\ce{2MnO2}(s) + \ce{2NH4Cl}(aq) + \ce{Zn}(s) ⟶ \ce{Zn^2+}(aq) + \ce{Mn2O3}(s) + \ce{2NH3}(aq) + \ce{H2O}(l) + \ce{2Cl-}\]

con un potencial de celda general que inicialmente es de aproximadamente 1.5 V, pero disminuye a medida que se usa la batería. Es importante recordar que el voltaje liberado por una batería es el mismo independientemente del tamaño de la batería. Por esta razón, las baterías D, C, A, AA y AAA tienen el mismo voltaje nominal. Sin embargo, las baterías más grandes pueden liberar más moles de electrones. A medida que el contenedor de zinc se oxida, su contenido eventualmente se escapa, por eso este tipo de batería no se debe dejar en ningún dispositivo eléctrico durante períodos prolongados.

A diagram of a cross section of a dry cell battery is shown. The overall shape of the cell is cylindrical. The lateral surface of the cylinder, indicated as a thin red line, is labeled “zinc can (electrode).” Just beneath this is a slightly thicker dark grey surface that covers the lateral surface, top, and bottom of the battery, which is labeled “Porous separator.” Inside is a purple region with many evenly spaced small darker purple dots, labeled “Paste of M n O subscript 2, N H subscript 4 C l, Z n C l subscript 2, water (cathode).” A dark grey rod, labeled “Carbon rod (electrode),” extends from the top of the battery, leaving a gap of less than one-fifth the height of the battery below the rod to the bottom of the cylinder. A thin grey line segment at the very bottom of the cylinder is labeled “Metal bottom cover (negative).” The very top of the cylinder has a thin grey surface that curves upward at the center over the top of the carbon electrode at the center of the cylinder. This upper surface is labeled “Metal top cover (positive).” A thin dark grey line just below this surface is labeled “Insulator.” Below this, above the purple region, and outside of the carbon electrode at the center is an orange region that is labeled “Seal.” — Figura\(\PageIndex{1}\): El diagrama muestra una sección transversal de una batería de linterna, una pila seca de zinc-carbono.

Las pilas alcalinas (Figura \(\PageIndex{2}\)) se desarrollaron en la década de 1950 en parte para abordar algunos de los problemas de funcionamiento de las pilas secas de zinc-carbono. Están fabricadas para reemplazar exactamente las pilas secas de zinc-carbono. Como sugiere su nombre, este tipo de baterías usan electrolitos alcalinos, a veces el hidróxido de potasio. Las reacciones son

\[\begin{align*} &\textrm{anode: }\ce{Zn}(s)+\ce{2OH-}(aq)⟶\ce{ZnO}(s)+\ce{H2O}(l)+\ce{2e-} \hspace{40px} E^\circ_\ce{anode}=\mathrm{−1.28\: V}\\ &\underline{\textrm{cathode: }\ce{2MnO2}(s)+\ce{H2O}(l)+\ce{2e-}⟶\ce{Mn2O3}(s)+\ce{2OH-}(aq) \hspace{40px} E^\circ_\ce{cathode}=\mathrm{+0.15\: V}}\\ &\textrm{overall: }\ce{Zn}(s)+\ce{2MnO2}(s)⟶\ce{ZnO}(s)+\ce{Mn2O3}(s) \hspace{40px} E^\circ_\ce{cell}=\mathrm{+1.43\: V} \end{align*}\]

Una batería alcalina puede liberar entre tres y cinco veces la energía de una celda seca de zinc-carbono de tamaño similar. Las pilas alcalinas son propensas a perder el hidróxido de potasio, por eso también deben retirarse de los dispositivos para su almacenamiento a largo plazo. Mientras algunas pilas alcalinas son recargables, la mayoría no lo son. Los intentos de recargar una batería alcalina que no es recargable a veces provocan la rotura de la batería y la fuga del electrolito de hidróxido de potasio.

Figura \(\PageIndex{2}\): Las baterías alcalinas se diseñaron como reemplazos directos de las baterías de zinc-carbono (celda seca).

Baterías secundarias

Las baterías secundarias son recargables. Estos son los tipos de baterías que se encuentran en los dispositivos como los teléfonos inteligentes, las tabletas electrónicas y los automóviles.

Las baterías de níquel-cadmio o NiCd (Figura \(\PageIndex{3}\)) consisten de un cátodo niquelado, un ánodo cubierto de cadmio y un electrodo de hidróxido de potasio. Las placas positivas y negativas, que el separador evita que se produzcan cortocircuitos, se enrollan juntas y se colocan en la caja. Este es un diseño de “rollo de gelatina” y permite que la celda de NiCd suministre mucha más corriente que una batería alcalina de tamaño similar. Las reacciones son

\[\begin{align*}
&\textrm{anode: }\ce{Cd}(s)+\ce{2OH-}(aq)⟶\ce{Cd(OH)2}(s)+\ce{2e-}\\
&\underline{\textrm{cathode: }\ce{NiO2}(s)+\ce{2H2O}(l)+\ce{2e-}⟶\ce{Ni(OH)2}(s)+\ce{2OH-}(aq)}\\
&\textrm{overall: }\ce{Cd}(s)+\ce{NiO2}(s)+\ce{2H2O}(l)⟶\ce{Cd(OH)2}(s)+\ce{Ni(OH)2}(s) \end{align*}\]

El voltaje es de aproximadamente 1.2 V a 1.25 V cuando la batería se descarga. Cuando se trata adecuadamente, una batería de NiCd se puede recargar unas 1000 veces. El cadmio es un metal pesado tóxico, por eso las baterías de NiCd nunca se deben abrir ni tirar a la basura normal.

Figura \(\PageIndex{3}\): Las baterías de NiCd usan un diseño de "rollo de gelatina” que aumenta significativamente la cantidad de corriente que la batería puede liberar en comparación con una batería alcalina de tamaño similar.

Las baterías de iones de litio (Figura \(\PageIndex{4}\)) se encuentran entre las baterías recargables más populares y se usan en muchos dispositivos electrónicos portátiles. Las reacciones son

\[\begin{align*} &\textrm{anode: }\ce{LiCoO2}⇌\ce{Li}_{1-x}\ce{CoO2}+x\ce{Li+}+x\ce{e-}\\ &\textrm{cathode: }x\ce{Li+}+x\ce{e-}+x\ce{C6}⇌x\ce{LiC6}\\ &\overline{\textrm{overall: }\ce{LiCoO2}+x\ce{C6}⇌\ce{Li}_{1-x}\ce{CoO2}+x\ce{LiC6}} \end{align*}\]

Con los coeficientes que representan moles, x no es más de aproximadamente 0.5 moles. El voltaje de la batería es de aproximadamente 3.7 V. Las baterías de litio son populares porque pueden proporcionar una gran cantidad de corriente, son más livianas que las baterías comparables de otros tipos, producen un voltaje casi constante a medida que se descargan y solo pierden su carga lentamente cuando se almacenan.

Figura\(\PageIndex{4}\): En una batería de iones de litio, la carga fluye entre los electrodos a medida que los iones de litio se mueven entre el ánodo y el cátodo.

La batería de plomo y ácido (Figura \(\PageIndex{5}\)) es el tipo de batería secundaria que se usa en un automóvil. Es económico y capaz de producir la alta corriente requerida por los motores de arranque en los automóviles. Las reacciones de una batería de plomo y ácido son

\[\begin{align*} &\textrm{anode: }\ce{Pb}(s)+\ce{HSO4-}(aq)⟶\ce{PbSO4}(s)+\ce{H+}(aq)+\ce{2e-}\\ &\underline{\textrm{cathode: } \ce{PbO2}(s)+\ce{HSO4-}(aq)+\ce{3H+}(aq)+\ce{2e-}⟶\ce{PbSO4}(s)+\ce{2H2O}(l)}\\ &\textrm{overall: }\ce{Pb}(s)+\ce{PbO2}(s)+\ce{2H2SO4}(aq)⟶\ce{2PbSO4}(s)+\ce{2H2O}(l) \end{align*}\]

Cada celda produce 2 V, por eso seis celdas están conectadas en serie para producir una batería de automóvil de 12 V. Las baterías de plomo y ácido son pesadas y contienen un electrolito líquido cáustico, pero a veces siguen siendo la batería de elección debido a su alta densidad de corriente. Ya que estas baterías contienen una cantidad significativa de plomo, siempre deben desecharse correctamente.

Figura \(\PageIndex{5}\): La batería de plomo y ácido de un automóvil consiste en seis celdas conectadas en serie para proporcionar 12 V. Su bajo costo y alta libertad de corriente los convierte en excelentes candidatos para proporcionar energía a los motores de arranque de los automóviles.

Pilas de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica. Las pilas de combustible son similares a las baterías, pero requieren una fuente continua de combustible, a veces es el hidrógeno. Continuarán produciendo electricidad mientras haya combustible disponible. Las pilas de combustible de hidrógeno se han usado para suministrar energía a satélites, cápsulas espaciales, automóviles, barcos y submarinos (Figura \(\PageIndex{6}\)).

Figura \(\PageIndex{6}\): En este esquema de pila de combustible de hidrógeno, el oxígeno del aire reacciona con el hidrógeno, produciendo el agua y la electricidad.

En una pila de combustible de hidrógeno, las reacciones son

\[\begin{align*}
&\textrm{anode: }\ce{2H2 + 2O^2- ⟶ 2H2O + 4e-}\\
&\underline{\textrm{cathode: }\ce{O2 + 4e- ⟶ 2O^2-}\hspace{55px}}\\
&\textrm{overall: }\ce{2H2 + O2 ⟶ 2H2O} \end{align*}\]

El voltaje es de aproximadamente 0.9 V. La eficiencia de las pilas de combustible es típicamente de aproximadamente 40% a 60%, que es más alta que el típico motor de combustión interna (25% a 35%) y, en el caso de la pila de combustible de hidrógeno, produce solo agua como un escape. Actualmente, las pilas de combustible son bastante caras y contienen características que las hacen fallar después de un tiempo relativamente corto.

Resumen

Las baterías son celdas galvánicas, o una serie de celdas, que producen una corriente eléctrica. Cuando las celdas se combinan en baterías, el potencial de la batería es un múltiplo entero del potencial de una sola celda. Hay dos tipos básicos de baterías: primaria y secundaria. Las baterías primarias son de "un solo uso" y no se pueden recargar. Las pilas secas y (la mayoría) de las pilas alcalinas son ejemplos de pilas primarias. El segundo tipo es recargable y se llama una batería secundaria. Los ejemplos de baterías secundarias incluyen baterías de níquel-cadmio (NiCd), plomo y ácido e iones de litio. Las pilas de combustible son similares a las baterías porque también generan una corriente eléctrica, pero requieren la adición continua de combustible y oxidante. La celda de combustible de hidrógeno usa el hidrógeno y el oxígeno del aire para producir el agua y generalmente es más eficiente que los motores de combustión interna.

Glosario

pila alcalina: batería primaria que usa un electrolito alcalino (a veces el hidróxido de potasio); diseñado para ser un reemplazo exacto de la celda seca, pero con más almacenamiento de energía y menos fugas de electrolitos que la celda seca típica

batería: celda galvánica o serie de celdas que produce una corriente; en teoría, cualquier celda galvánica

pila seca: batería primaria, también llamada una batería de zinc-carbono; se puede usar en cualquier orientación porque usa un electrolito como una pasta; tiende a perder electrolitos cuando se almacena

pila de combustible: dispositivos que producen una corriente eléctrica siempre que se agreguen continuamente el combustible y el oxidante; más eficiente que los motores de combustión interna

batería de plomo y ácido: batería secundaria que consiste de múltiples celdas; la batería de plomo y ácido que se encuentra en los automóviles tiene seis celdas y un voltaje de 12 V

batería de iones de litio: batería secundaria muy popular; usa iones de litio para conducir la corriente y es ligero, recargable y produce un potencial casi constante aunque se descargue

batería de níquel-cadmio: (Batería de NiCd) batería secundaria que usa el cadmio, que es un metal pesado tóxico; más pesado que las baterías de iones de litio, pero con características de funcionamento similares

batería primaria: batería de un solo uso no recargable

batería secundaria: batería que se puede recargar

Contribuyentes

Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110)."
Ana Martinez (amartinez02@saintmarys.edu) contribuyó a la traducción de este texto.