Baterías primarias y secundarias

Heber E.Andrada

Tipos de baterías

Baterías primarias

Son aquellas que una vez que se agotan , son desechadas.

Se destacan 3 tipos de celdas:

Celda de Leclanche o de zinc carbono (ZnC) (pilas secas)

Electrolito- ZnCl2. Electrodo negativo (Ánodo) – Lamina de zinc (Zn) impurificado con Hg. Electrodo positivo (Cátodo) – mezcla de MnO2 y C , prensado sobre una barra de grafito.

Pilas alcalinas: mismos componentes.

Electrolito alcalino (KOH).

Celda de zinc cloruro (Zn/Cl)

Electrolito - medio amoniacal con KOH.

Los procesos son irreversibles en este tipo de baterías

Electrodo positivo (ánodo)

3 MnO2 + 2 H2O + 4 e Mn3O4 + 4 OH

Electrodo negativo (cátodo)

Zn + 2 OH ZnO + H2O + 2e

Reacción global (durante la descarga)

3 MnO2 + 2 Zn Mn3O4 + 2 ZnO

Pilas botón: Son pilas de tamaño reducido, de forma chata y redonda. Son utilizadas para audífonos, marcapasos, relojes, calculadoras y aparatos médicos de precisión. Su composición es variada.

Pilas de óxido mercúrico: Son las más tóxicas, contienen un 30 % de mercurio. Deben manipularse con precaución en los hogares, dado que su ingestión accidental, lo que es factible por su forma y tamaño, puede resultar letal.

Pilas de Zinc-aire: Se las distingue por tener agujeros diminutos en su superficie. Tienen mucha capacidad y una vez en funcionamiento su producción de electricidad es continua. Contienen más del 1 % de mercurio, por lo que presentan graves problemas residuales.

Pilas de óxido de plata: Son de tamaño pequeño, usualmente de tipo botón. Contienen 1 % de mercurio aproximadamente por lo que tienen efectos tóxicos sobre el ambiente.

Pilas de litio: Producen 3 veces más energía que las pilas alcalinas, considerando tamaños equivalentes, y poseen también mayor voltaje inicial (3 voltios).Se utilizan en relojes, calculadoras, flashes de cámaras fotográficas y memorias de computadoras.

En estas el electrodo negativo es litio metálico y el electrodo positivo puede ser un electrodo de MnO2, SO2 o SOCl2.

Baterías secundarias

Pueden recargarse, después de la descarga el sistema puede ser regenerado una cierta cantidad de veces.

Existe gran diversidad de estas baterías, algunas de estas son:

Baterías de níquel.

Baterías tradicionales de plomo/acido.

Baterías de zinc/ dioxido de manganeso.

Baterías de ion litio.

Baterías de flujo redox.

Baterías de Níquel

Los dos tipos principales son:

Níquel – Cadmio.Níquel – Hidruro metálico.

Electrodo de níquel

Presenta un sustrato de níquel en forma de esponja o lamina en donde se deposita hidróxido de níquel (sustancia electroactiva).

Impregnación química o electroquímica.

Electrodo positivo (cátodo).

La reacción que ocurre en el mismo durante la descarga es:

NiOOH + H2O + e Ni(OH)2 + OH

Electrodo de cadmio

Corresponde al electrodo negativo (ánodo) , existen dos tipos:

Empastados : pasta de hidróxido de cadmio, aglutinante, material conductores sedimentada sobre una hoja de cadmio metálico.

Sintetizados : vía métodos químicos o electroquímicos.

La reacción que ocurre es:

Cd + 2 OH Cd(OH)2 + 2e

Electrodo de hidruro metálico

Se utilizan aleaciones metálicas para formar hidruros y liberar hidrogeno gaseosoReversiblemente (LaNi5 o TiZr2). Electrodo negativo (ánodo).

La reacción que se produce es:

Aleación (H) + OH Aleación + H2O + e

Baterías de Plomo – Acido

Electrodos positivo (catodo): Dióxido de plomo.

Electrodo negativo (anodo): Plomo metálico.

Electrolito: solución de ácido sulfúrico (H2SO4).

Cuando la batería esta descargada, se encuentra en forma de sulfato deplomo (PbSO4) incrustado en una matriz de plomo metálico (Pb).

El material activo de la placa positiva es óxido de plomo (PbO2).

El de la placa negativa es plomo puro esponjoso y el electrolito es H2SO4.

Placas PositivasAleación Plomo-Estaño-Calcio que contiene dióxido de plomo poroso como material activo.

Placas NegativasAleación Plomo-Estaño-Calcio que contiene plomo esponjoso como material activo.

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

SeparadoresConservan el electrolito e impiden cortocircuitos entre las placas positivas y negativas adoptan la forma de un paño inmóvil de finas fibras de cristal.

Válvula (Unidireccional)Cuando se genera gas en la batería bajo condiciones extremas de carga, 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).

Reacciones que ocurren dentro de la misma

ELECTRODO POSITIVO

PbO2 + 3H++HSO4- + 2e- 2H2O + PbSO4

ELECTRODO NEGATIVO

Pb + H2SO4 2PbSO4 + 2H+ + 2e-

REACCIÓN COMPLETA DE LA CELDA

PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O + energia

Baterías recargables de Zinc-Dióxido de manganeso

Es esencialmente igual a las baterías alcalinas primarias, utiliza los mismos reactantes.

Las reacciones que ocurren son:

Electrodo positivo

MnO2 + 2 H2O + e MnOOH + OH

Electrodo negativo

Zn + 4 OH Zn(OH)4(2-) + 2 e

Durante la descarga la solución de KOH se va saturando con Zn(OH)4(2-) y lareacción toma otra ruta

Zn + 2 OH Zn(OH)2 + 2 e

Reacción global

2 MnO2 + Zn + 2 H2O 2 MnOOH + Zn(OH)2

Baterías de Ion Litio Presentan un elevado potencial de celda que pude llegar a los 3,7V.

Electrodo negativoEs una matriz formada principalmente por carbono que tiene la propiedad de recibir y acumular iones litio.

La reacción es:

C60 + (x)Li(1+) + (x) e LixC60 Donde C60 es fulereno.

Electrodo positivo Durante la descarga produce iones litio, los óxidos tipo espinela mas estudiados son, LiNiO2, LiCoO2 o además LiMn2O4.

LiMO2 (x)Li(1+) + Li(1-x)MO2 + (x)e

La reacción global es :

C60 + LiMO2 LixC60 + Li(1-x)MO2

Baterías de Litio-Polímero (Li-Po)

Electrodo negativo (ánodo)

Es una lamina ultra delgada de litio metálico que hace la función defuente de iones de litio(descarga) o como colector(carga).

Electrodo positivo (cátodo)

Es un material compuesto con capas intercaladas de oxido de vanadio,negro de carbono, sal de litio y polímeros todo ello laminado sobre una hoja de aluminio que sirve de colector.

El comportamiento elástico del polímero permite que la superficie de contacto con los electrodos sea la adecuada.

Además permite el doblado de las láminas para darles la forma deseada a las baterías.

                                                                                                                                                                                                                                                                                  

Mecanismo de carga y descarga en las baterías de ion litio

Baterías de Flujo Redox de Vanadio

Funciona con un solo elemento electroactivo, el vanadio que puede existir en disolución bajo 4 estados de oxidación diferentes:

vanadilo (VO2+)

dioxovanadio (V) (VO2+)

vanadio (II) vanadio (III).

La ausencia de metales contaminantes caracteriza a esta batería,la cual representa la tecnología de almacenamiento de energía conel MENOR IMPACTO ECOLOGICO.

Las reacciones que se producen son:

Descarga de la batería V2+ → V3+ + 1e VO2

+ + 2H+ + 1e- VO2+ + H2O

global: V2+ + VO2+ + 2H+ V3+ + VO2+ + H2O

Cada celda suministra 1.26 V a 25 °C.

Cargado de la batería

V3+ + 1e V2+

VO2+ + H2O VO2+ + 2H+ + 1e-

global: V3+ + VO2+ + H2O V2+ + VO2+ + 2H+

Ánodo Electrolito = ZnBr2/ ZnBr2 Zn Zn(2+) + 2 e

Cátodo Br2 + 2 e 2 Br(1-)

Batería de flujo redox de Zinc - Bromo

Batería de flujo redox de Zinc -Cerio Cuplas redox Electrolito

Zn Zn(+2) + 2 e Acido metanosulfonico

Ce(+4) + e Ce(+3)

Cupla redox Voltaje máximo de la celda

Densidad de potencia (W / m 2

de electrodo)

Hierro-Tin 0.62V <200W/m2

Hierro-titanio 0.43 <200W/m2

Hierro-cromo 1.07V <200W/m2

Vanadio-vanadio 1.4V ~ 800W/m2

Sodio / polisulfuro bromo

1.54V ~ 800W/m2

Zinc-Bromo 1.83 ~ 1000W/m2

Plomo, plomo-ácido metanosulfónico

2.0V ~ 1000W/m2

Cerio, zinc,ácido metanosulfónico-

2.43V <1200-2500W/m2

Densidad de Potencia y Energía para distintos tipos de sistemas de almacenamiento de energía.

Formas comerciales en que podemos encontrar los distintos tipos de pilas

Datos técnicos de los distintos tipos de pilas

Muchas gracias…hasta la próxima…