Fuentes de energía

Baterías. Pilas. Acumuladores. Medio ambiente. Toxicidad pila

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PILAS Y ACUMULADORES

indice

1.0) OBJETIVOS.

1.0) OBJETIVOS.

1.1) Objetivo General.

Fuentes de energía
Crear en el lector conciencia, e introducirlo en un mundo completamente actualizado y demostrarle que existe una variedad de pilas y baterías.

1.2) objetivos específicos.

Fuentes de energía
Adquirir nociones de procesos electroquímicos internos del funcionamiento de pilas y acumuladores.

Fuentes de energía
Introducir al lector sobre la composición, el aprovechamiento y su posterior eliminación.

Fuentes de energía
Conocer las características principales de las baterías. y acumuladores.

Fuentes de energía
Mostrar las ventajas y desventajas de las distintas formas de asociación de las baterías.

2.0) PILAS.

Las pilas, también conocidas como baterías primarias, son GENERADORES: Es decir, dispositivos que transforman la energía potencial química en energía eléctrica.

Hay un famoso experimento que consistía en colgar mediante un gancho de cobre a una rana recién decapitada, de un balcón de hierro. En dicho experimento se observó que el cadáver experimentaba contracciones musculares. Este fenómeno se atribuyó en un principio a la entonces llamada "energía vital". Pero las experiencias de Galvani demostraron que este tipo de hechos eran una manifestación más de la energía eléctrica (por aquel entonces era conocida ya la energía electrostática), a esta manifestación de la energía eléctrica se le llamó POTENCIAL DE CONTACTO.

Cuando dos materiales conductores distintos se ponen en contacto, debido a la diferencia de sus potenciales de barrera (que significa que tienen distinta distribución de energía en sus bandas de conducción), se produce entonces una fuerza electromotriz, capaz pues de generar corriente eléctrica. Este es el fundamento de la pila eléctrica.

Pueden construirse pilas con dos materiales cualesquiera. Lo que sucede es que, generalmente, las fuerzas electromotrices obtenidas son tan sumamente pequeñas que no son utilizables en la práctica, lo que convierte la fabricación de una pila en un delicado estudio físico-químico.

La primera pila, (de la que por su construcción vino el nombre de pila), es la de Volta: ésta consistía en una serie de discos de cobre y cinc alternativamente "apilados", separados por un cartón empapado en ácido sulfúrico de débil concentración. Su f.e.m. era de aproximadamente 1,2 V. y podían obtenerse corrientes considerables.

Un tipo de pila, muy usado en los laboratorios por su alta estabilidad, es la de Daniell, pero poco manejable en aplicaciones prácticas, ya que el electrolito empleado es líquido.

En la actualidad, el tipo más usado es el de Leclanché, muy manejable porque el electrolito es semisólido (pila seca), robusta, de larga duración y de una tensión nominal de 1,5 V.

De unos años a esta parte y debido a la miniaturización, se han desarrollado otros tipos de pilas, como por ejemplo las llamadas pilas secas que se componen de un electrolito semi-solido, algunas de las cuales son sumamente pequeñas. Las más típicas son llamadas de mercurio, con forma de píldora. Sometidas a una descarga relativamente fuerte, mantienen muy poco tiempo su fuerza electromotriz nominal, pero tienen un alto poder de regeneración, por lo que resultan muy adecuadas para funcionamiento en régimen intermitente durante largos periodos de tiempo.

2.1) ANATOMÍA DE LAS PILAS.

A continuación se muestra la anatomía física más común de las pilas en el mercado (Zn/MnO2).

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  • Botón Positivo: Una protuberancia formada en casco de la batería formada en el casco de la batería, para identificar el terminal positivo.

  • Envase de Acero: Acero Níquel-Plateado que forma un envase para mantener los químicos. Sirve como colector positivo.

  • Cubierta conductora externa: Es una funda plástica que contiene la impresión decorativa identificando el tipo y número de celda.

  • Separador: Fibra de material poroso que separa los electrodos; sostiene el electrolito entre los electrodos.

  • Electrolito: Es una solución de hidróxido de Potasio en agua que conduce la corriente iónica dentro de la batería.

  • Cátodo: Dióxido de Manganeso y Grafito los cuales toman los electrones de los circuitos externos.

  • Ánodo: Metal pulverizado de Cinc que sirve como fuente de electrones.

  • Ánodo Colector: Latón estañado que sirve como camino para los electrones, desde el ánodo al circuito externo.

  • Sello de salida: Molde plástico en forma de disco que sostiene los componentes dentro de la celda y libera la presión interna.

  • Fuentes de energía

    Fuentes de energía

    Pila

    Fuentes de energía

    Aparato

    Fuentes de energía

    Conductor eléctrico

    2.2) QUÍMICA DE LAS PILAS.

    Fuentes de energía

    Cuando se enciende algo, por ejemplo una linterna, las corrientes eléctricas en forma de electrones accionan la ampolleta. Esto sucede porque del material del ánodo, Cinc (Zn), se recogen dos electrones (e-) por átomo en un proceso llamado oxidación. Este proceso deja atrás los iones inestables del Cinc (Zn2+). (Un ion es un átomo que ha ganado o perdido electrones, o sea, tiene una carga positiva o negativa.

    Fuentes de energía
    Después que los electrón es hagan su trabajo y enciendan la ampolleta, ellos vuelven a entrar a la batería por el cátodo. Aquí ellos se combinan con el material activo, Dióxido de Manganeso (Mno2), en un proceso llamado reducción.

    La Oxidación y la Reducción no podrían ocurrir en una batería si no hubiese una forma de llevar los electrones de vuelta al ánodo, después que ellos han entrado al cátodo. Aquí es donde actúa el electrolito.

    Fuentes de energía
    Después que cada electrón entre al cátodo, éstos reaccionan con el Dióxido de Manganeso para formar Mon.-. Luego el Mon.- reacciona con el agua en la solución del electrolito. Las moléculas del agua se separan, liberando iones de Hidróxido (OH-) e iones de Hidrógeno (H.) que se combinan con Mon.- para formar Mon. Los iones del Hidróxido fluyen al ánodo en forma de una corriente iónica.

    Aquí ellos se combinan con iones de Cinc inestables que habían entregado sus electrones para encender la ampolleta. La reacción produce Óxido de Cinc (Son) y agua (H2O).

    El circuito finalmente se ha completado.

    3.0) ACUMULADORES.

    Las pilas, una vez agotadas, no se pueden recargar, debido a que en ellas, durante el funcionamiento, se origina una reacción química irreversible.

    Existen unos dispositivos, basados en los mismos fenómenos que gobiernan el funcionamiento de una pila, en los que la reacción química es reversible; es decir, que una vez descargados, se pueden recargar suministrándoles corriente. A estos dispositivos se les llama acumuladores o baterías secundarias.

    Tanto las pilas como los acumuladores, aunque no se usen, se descargan con el tiempo, sobre todo en ambientes húmedos. Como los acumuladores son recargables, conviene suministrarles una corriente de mantenimiento (trícele charle).

    De cuando en cuando, según recomendaciones del fabricante para cada tipo en particular, es conveniente someterlos a una fuerte descarga.

    El más conocido y usado acumulador es el de plomo que consiste:

    En una cubeta se alojan unas placas de plomo. Entre ellas hay una disolución de ácido sulfúrico (electrolito). En la operación de carga, sobre las placas de plomo, conectadas al polo positivo, se forma sulfato de plomo. Este conjunto, una vez cargado, es capaz de proporcionar corriente hasta que dicho sulfato de plomo se descomponga. Durante el funcionamiento se elimina agua, que hay que reponer de cuando en cuando.

    La fuerza electromotriz nominal de cada célula o celda es de 2 V. Suelen ir montados en serie dentro de una cubeta de un material impermeable y no atacable por el ácido, formando las baterías de acumuladores.

    FIGURA 6: Diversos tipos de Acumuladores.3.1) ANATOMIA DE LOS ACUMULADORES.

    Placas Positivas: Son placas de electrodos las cuales forman una rejilla de aleación Plomo-Estaño-Calcio que contiene dióxido de plomo poroso como material activo.

    Placas Negativas: Son placas de electrodos las cuales forman una rejilla de aleación Plomo-Estaño-Calcio que contiene plomo esponjoso como material activo.

    Electrolitos: El ácido sulfúrico diluido es usado como el medio para la conducción de iones en la reacción electroquímica de la batería.

    Separadores:Los separadores que conservan el electrolito e impiden cortocircuitos entre las placas positivas y negativas adoptan la forma de un paño inmóvil de finas fibras de cristal que son químicamente estables en el electrolito de ácido sulfúrico diluido.

    Siendo altamente porosos, los separadores conservan el electrolito para la reacción de materiales activos en las placas.

    Válvula (Unidireccional): La Válvula está compuesta de una válvula unidireccional hecha de un material similar al neopreno.

    Cuando se genera gas en la batería bajo condiciones extremas de carga debido a cargas erróneas, mal funcionamiento del cargador u otras anomalías, el respiradero de la válvula se abre para liberar la presión excesiva en la batería y mantener la presión del gas dentro del rango específico.

    (0,07 a 0,43 kPa, o 1 a 6 psi).

    Durante el uso ordinario de la Batería, el respiradero de la válvula está cerrado para evitar que penetre aire desde el exterior y prevenir que el oxígeno del aire reaccione con el material activo en los electrodos negativos.

    Terminales positivos y negativos del electrodo: Los terminales positivos y negativos del electrodo pueden ser el tipo proyección de Faston, del tipo cerradura empernada, del tipo alambre de plomo y del tipo cabezal embutido, dependiendo del tipo de Batería. El sellado del terminal es logrado a través de una estructura asegurada por un largo parche adhesivo recubierto y reforzado por un poderoso adhesivo epóxico.

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    Materiales de la carcaza de la Batería: Los materiales del cuerpo y de la cubierta de la carcaza de la Batería son resinas ABS, salvo especificaciones contrarias.

    FIGURA 7: Química de los acumuladores.

    Los acumuladores transforman su energía química acumulada de una forma similar a las pilas, por lo tanto se enfocaran los procesos electroquímicos de “carga” y “descarga”.

    Reacciones electroquímicas en los electrodos: El proceso de reacción electroquímica de la batería sellada de plomo-ácido (del tipo recombinación de electrodos negativos) se tomará como ejemplo y será descrito a continuación.

    La “carga” es la operación de proveer la batería recargable de la corriente directa de una fuente de energía externa para cambiar químicamente el material activo en las placas negativas. De esta manera se almacena en la batería energía eléctrica en forma de energía química.

    La “descarga” es la operación de enviar hacia fuera energía eléctrica desde la batería para hacer funcionar un equipo externo.

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    FIGURA 8: Proceso electro-químico de “carga” y “descarga” de un acumulador Plomo-Ácido.

    En la etapa final de la carga ocurre una reacción generadora de Oxígeno en las placas positivas. Este oxígeno es transferido dentro de la batería para luego ser absorbido y consumido en la superficie de las placas negativas. Esto proceso de reacción electroquímica se muestra en el siguiente diagrama:

    FIGURA 9: Etapa final de carga en un acumulador de plomo.

    4.0) ASOCIACION DE BATERÍAS.

    Las baterías son dispositivos dipolo, es decir, tienen dos terminales.

    Como todo dipolo, pueden conectarse en serie, en paralelo o en agrupaciones mixtas.

    Hay que tener en cuenta que la pila es un generador real y, como tal, es equivalente a un generador ideal en serie con su resistencia interna.

    4.1) ASOCIACION DE BATERÍAS EN SERIE.

    Las baterías pueden conectarse en serie cualesquiera que sean las fuerzas electromotrices y la máxima corriente que cada una de ellas pueda suministrar.

    Evidentemente, al conectarlas en serie, las fuerzas electromotrices se suman, así como sus resistencias internas.

    4.2) ASOCIACION DE BATERÍAS EN PARALELO.

    Al conectar pilas en paralelo debe tenerse en cuenta que sean todas de la misma feb., ya que, en caso contrario, fluiría corriente de la de más feb. a la de menos, disipándose potencia en forma de calor en las resistencias internas, agotándolas rápidamente.

    Si todas ellas son del mismo voltaje el conjunto equivale a una sola pila de la misma tensión, pero con menor resistencia interna. Además, la corriente total que puede suministrar el conjunto es la suma de las corrientes de cada una de ellas, por concurrir en un nudo. La asociación en paralelo por tanto, podrá dar más corriente que una sola pila, o, dando la misma corriente, tardará más en descargarse. (Recordar que la corriente entregada dependerá de la carga que le

    conectemos).

    5.0) ENVEJECIMIENTO DE UNA BATERÍA.

    Ni la fuerza electromotriz, ni la resistencia interna de una pila permanecen constantes. Cuando la pila sale de fábrica, su fuerza electromotriz es ligeramente superior a la nominal, y su resistencia interna muy baja. Debido al uso, o simplemente por el transcurso del tiempo, la pila "envejece". El electrolito se polariza y Para demorar el agotamiento, en el electrolito se mezclan ciertas sustancias que actúan como despolarizantes. En la pila Leclanché el despolarízate es bióxido de manganeso.

    Peligros Relacionados con las Pilas y Acumuladores Usados:

    Como ya se comentó anteriormente, las pilas y acumuladores usados generan electricidad a través de ciertas reacciones químicas que tienen lugar en su interior. En estas reacciones intervienen diversos compuestos químicos, tales como metales pesados, ácidos, etc., que son altamente nocivos para el ser humano y para el medio ambiente. Durante su utilización estos riesgos no plantean ningún problema dado que la cápsula de las pilas y acumuladores aísla eficazmente su interior del medio

    Debido a los compuestos que forman parte de su composición las pilas y acumuladores usados están considerados como Residuo Peligroso por los Reales Decretos 833/88 y 952/97. Esta caracterización se debe a que, con el tiempo, y al ser sometidas a factores ambientales como la humedad, el sol, etc., su cápsula externa sufre un deterioro progresivo hasta que se rompe, liberando todas las sustancias químicas que forman parte de su estructura. Estas sustancias químicas, una vez libres, son arrastradas por el agua hasta las fuentes de abastecimiento de plantas y animales pasando así a formar parte de la cadena trófica.


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    6.0) PREGUNTAS FRECUENTES.

    ¿Por qué son peligrosas las pilas y baterías usadas?

    Constituyen un residuo peligroso de características complejas, por varios aspectos:

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    Son productos individualmente constituidos por varios polucionantes.

    Fuentes de energía
    La innumerable variedad de pilas (químicamente) posibles multiplica enormemente la cantidad de contaminantes a los que el ambiente puede potencialmente exponerse.

    Fuentes de energía
    La multiplicidad de características e importancias toxicológicas que se derivan de la complejidad mencionada.

    Fuentes de energía
    La innumerable variedad de usos, usuarios, diseños, tamaños y formatos.

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    La elevada proporción en la que intervienen en la cantidad total de residuos generados.

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    Se encuentran normalmente asociadas a los residuos domésticos

    ¿POR QUÉ CONTAMINAN LAS PILAS?

    Tirar las pilas con el resto de basuras es depositarlas en un vertedero. No debemos tirar jamás a la basura las pilas alcalinas y todavía menos las de botón, ambas son especialmente peligrosas.

    En los vertederos, los ácidos del interior de la pila liberan el mercurio, litio, cadmio, manganeso, de tal manera que si estos metales pesados alcanzan los suministros de agua se crea un grave problema de contaminación.

    Algunos de los componentes de las pilas no sólo son contaminantes para el medio ambiente (ecotóxicos), sino que son nocivos para el ser humano. Así, la pérdida del electrolito de pilas y acumuladores fuera de uso puede provocar quemaduras en la piel e irritaciones en las mucosas. La ingestión accidental de una pila botón puede producir la perforación química de las vías digestivas o bloqueo de la glotis o del esófago.

    Todos estos factores de riesgo se están viendo rápidamente incrementados con la fabricación de dispositivos que necesitan pilas cada vez de menor tamaño. Con el desarrollo de la electrónica y de la robótica el número creciente de pilas en el mercado irá acompañado de normas cada vez más estrictas en cuanto a la fabricación y el manejo de las mismas, así como en lo referente a su posterior eliminación.

    ¿Cuál es la toxicidad de las pilas usadas?

    Es diferente, de acuerdo con el tipo de pila considerada: no todos sus componentes poseen el mismo grado de toxicidad en cuanto a sus efectos sobre el ambiente. En este aspecto, las que poseen mercurio, cadmio o plomo son las que presentan un riesgo mayor.

    7.0) CONSEJOS PARA AYUDAR AL MEDIO AMBIENTE.

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    Nunca mezcles pilas nuevas con usadas. Sólo lograrás reducir la vida útil de ambas, ya que las nuevas pasan su energía a las viejas.

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    Busca pilas recargables de marcas reconocidas y que tengan impresa la leyenda: Libre de Mercurio (mercury free).

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    Cuando vayas a comprar una calculadora o un reloj, recuerda que existen los de "energía solar", y relojes que funcionan con nuestro pulso.

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    Jamás hay que tirar las pilas al inodoro o al río. Tienen un altísimo poder de contaminación en el agua.

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    No amontonar las pilas en un solo lugar. Es preferible desprenderse de ellas de a poco. Todas juntas son más peligrosas.

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    Nunca las quemes. Esta práctica puede tener un efecto nocivo inmediato para tu salud, porque se desprenden los vapores de los metales pesados.

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    8.0) CARACTERÍSTICAS GENERALES Y APLICACIONES DE BATERÍAS POPULARES.

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    Alcalina-MnO2: Batería popular de multi-usos superiores; excelente temperatura (baja) operativa y altos valores de funcionamiento; buena vida útil (shelf-life); característica de descarga declinante.

    Usos: Propósitos generales, por ejemplo: computadoras Palmtop, linternas, equipos fotográficos, juguetes, equipos de comunicación, radio y televisión, grabadores de cinta e instrumentos. Popular para aplicaciones de alto drenaje.

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    Litio- MnO2: Alta densidad de energía; excelentes valores de capacidad y bajas temperaturas de funcionamiento; excelente vida útil; característica de descarga relativamente plana.

    Usos Propósitos generales en aplicaciones fotográficas y electrónicas que requieren de baterías pequeñas y de alto poder. Ej: Transmisores de seguridad, alarmas de humo, periféricos de computadoras, equipos de comunicaciones, cámaras fotográficas, organizadores personales, respaldos de memoria, linternas.

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    Vapor de Cinc: La más alta densidad de energía en descarga continua; excelente vida útil (desactivada); moderados valores de capacidad; vida útil limitada una vez activada; característica de descarga plana.

    Usos: Prótesis de oídos, instrumentos de monitoreo médico, compaginadores y otras aplicaciones de uso frecuente.

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    Óxido de Plata: Alta capacidad gravimétrica; buena vida útil; característica de descarga plana.

    Usos: Prótesis de oídos, relojes, equipos fotográficos especial para electrónicos que requieren una batería pequeña y de alta capacidad.

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    Hidruro Níquel-Metálico: Recargable; alta densidad de energía; descarga plana; valores muy elevados de funcionamiento; capacidad de rápida carga.

    Usos: Computadoras portátiles, teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos de consumo portátil.

    9.0) CONCLUSIONES.

    Las pilas y baterías responden a un principio similar de funcionamiento, la gran diferencia radica en la capacidad de recargabilidad que poseen los acumuladores, además podemos indicar, que al final ambas, ya sea las pilas o acumuladores tienen su vida útil, y deben desecharse con responsabilidad ya que también la naturaleza como nosotros podemos salir afectados.

    Están claras las precauciones que se deben tomar al momento de utilizar más de una batería, ya que dependiendo del tipo de asociación que se utilice para configurar una conexión determinada, se obtendrá la respuesta deseada para un requerimiento en particular.

    Los diferentes tipos de baterías disponibles ofrecen diversas ventajas y desventajas según sea la necesidad. Conocer los principales parámetros y características de funcionamiento, al momento de adquirir una batería específica, permite saber de antemano la respuesta del dispositivo al momento de ser utilizado, asegurando así el óptimo funcionamiento del circuito que se alimentará.

    10.) REFERENCIAS.

    www.cabildofuer.es/positiva/pilas.htm

    www.medioambiente.gov.ar/fag/pilas/default.htm

    www.ion.atfreeweb.com/pilas_y_baterias.htm

    www.pilasusadas.com/pilas.htm

    Trabajo de Ricardo Mendoza, UTA - 2000.

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    FIGURA 1: Anatomía Física de una pila. común.

    FIGURA 3: Primera fase demostrativa del proceso interno de una pila común.

    FIGURA 4: Segunda fase demostrativa del proceso interno de una pila común.

    FIGURA 5: Tercera fase demostrativa del proceso interno de una pila común.

    FIGURA 10: Característica de baterías en conexión serie.

    FIGURA 11: Característica de baterías en conexión paralelo.

    FIGURA 18: Pila de Hidruro Níquel-Metálico.

    FIGURA 17: Pila de óxido de Plata.

    FIGERA 16: Pila de vapor de Cinc.

    FIGURA 15: Pila de Litio.

    FIGURA14: Pila Alcalina.

    FIGURA 12: pilas y acumuladores usados

    FIGURA 13: contenedor diseñado para la recogida de pilas botón

    Asignatura:

    - Fuentes de Energía.

    Profesor:

    - Enrique Fuentes H.

    Nombre:

    -Percy Robles Ayca.

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    FIGURA 2: Conexión de pila.

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