Fundamentos Electroquímicos: Tipos y Funcionamiento de Pilas y Baterías Comunes

Principales Tipos de Celdas Electroquímicas: Funcionamiento y Composición

A continuación, se detallan las características y procesos electroquímicos de varias celdas primarias y secundarias fundamentales en la tecnología de almacenamiento de energía.

Pila de Carbono-Zinc (Salina)

Esta es una pila primaria no recargable con una tensión nominal de 1,5 V.

Componentes y Estructura:

• Ánodo: Formado por cinc metálico, que además constituye la carcasa externa de la pila.
• Cátodo: Barra de carbono rodeada por una pasta de dióxido de manganeso mezclada con carbono. El dióxido de manganeso es el material activo y el carbono actúa como simple conductor.
• Electrolito: Compuesto por cloruro amónico ($\text{NH}_4\text{Cl}$) disuelto en agua en forma de pasta húmeda.

Proceso Electroquímico:

Cuando la pila comienza a funcionar, el cloruro amónico y el agua se disocian en iones cloruro ($\text{Cl}^-$), amonio ($\text{NH}_4^+$), hidronio ($\text{H}_3\text{O}^+$) e hidróxido ($\text{OH}^-$), creando un medio iónico que permite las reacciones químicas:

1. En el Ánodo (Oxidación): El cinc se oxida perdiendo electrones y transformándose en ion $\text{Zn}^{2+}$, que reacciona con los iones cloruro formando cloruro de cinc ($\text{ZnCl}_2$).
2. En el Cátodo (Reducción): El dióxido de manganeso ($\text{MnO}_2$) se reduce aceptando electrones y reaccionando con el ion amonio para formar trióxido de dimanganeso ($\text{Mn}_2\text{O}_3$), amoniaco ($\text{NH}_3$) y agua ($\text{H}_2\text{O}$), permaneciendo el carbono inerte.

Durante todo el proceso, el electrolito aporta los iones necesarios para el transporte de carga entre los electrodos.

Pila Alcalina (Manganeso-Zinc)

Es una batería primaria no recargable con una tensión nominal de 1,5 V.

Diferencias Estructurales y Composición:

• Ánodo: Cinc.
• Cátodo: Dióxido de manganeso con carbono.
• Electrolito: Es una disolución alcalina de hidróxido potásico (KOH) en agua.

Estructuralmente, está construida de forma inversa a la pila salina: la vasija metálica de cinc actúa como cátodo y la barra central constituye el ánodo.

Reacciones en Funcionamiento:

Cuando la pila entra en funcionamiento, el hidróxido potásico se disocia en iones potasio ($\text{K}^+$) e hidroxilo ($\text{OH}^-$), permitiendo las reacciones electroquímicas:

• En el Ánodo (Oxidación): El cinc se oxida reaccionando con los iones hidroxilo, desprendiendo electrones y formando óxido de cinc ($\text{ZnO}$) y agua ($\text{H}_2\text{O}$).
• En el Cátodo (Reducción): El dióxido de manganeso se reduce reaccionando con el agua del electrolito y captando electrones para formar trióxido de dimanganeso ($\text{Mn}_2\text{O}_3$) e iones hidroxilo ($\text{OH}^-$). El carbono permanece como elemento conductor.

El electrolito facilita el transporte de carga sin consumirse directamente, manteniendo una tensión más constante durante la descarga y ofreciendo una mayor capacidad y vida útil que las pilas salinas.

Batería de Plomo-Ácido

Es una batería secundaria recargable.

Electrolito y Reacciones de Descarga:

El electrolito es una disolución de ácido sulfúrico ($\text{H}_2\text{SO}_4$) en agua al 20 %, que se disocia en iones sulfato ($\text{SO}_4^{2-}$) e hidrógeno ($\text{H}^+$).

Electrodo Negativo (Ánodo durante la descarga):

Está formado inicialmente por plomo metálico ($\text{Pb}$), que durante la descarga se oxida reaccionando con los iones sulfato para formar sulfato de plomo ($\text{PbSO}_4$) y liberar electrones.

Electrodo Positivo (Cátodo durante la descarga):

Compuesto por dióxido de plomo ($\text{PbO}_2$) depositado sobre una rejilla metálica, donde el plomo se reduce reaccionando con los iones hidrógeno y sulfato para formar también sulfato de plomo ($\text{PbSO}_4$) y agua ($\text{H}_2\text{O}$), extrayendo electrones del electrodo.

Recarga y Tensión:

Ambos electrodos terminan cubiertos de $\text{PbSO}_4$ durante la descarga, produciéndose agua que diluye el electrolito. Estas reacciones son reversibles al invertir el sentido de la corriente durante la carga, lo que permite regenerar el plomo y el dióxido de plomo. Proporciona una tensión de aproximadamente 2,1 V por celda en vacío, y su estado de carga puede determinarse midiendo la densidad del electrolito.

Batería de Níquel-Cadmio ($\text{Ni-Cd}$)

Es una batería secundaria recargable caracterizada por su elevada capacidad-peso y su capacidad para mantener una tensión prácticamente constante durante la descarga, siendo adecuada para aeronaves y aplicaciones que requieren altas intensidades.

Composición y Tensión:

• Electrolito: Disolución de hidróxido potásico (KOH) en agua al 30 %, que se disocia en iones potasio ($\text{K}^+$) e hidroxilo ($\text{OH}^-$) sin participar directamente en las reacciones.
• Tensión: Proporciona una tensión en vacío de aproximadamente 1,28 V por celda y una tensión de servicio de alrededor de 1,2 V.

Reacciones de Descarga (Reversibles):

1. Ánodo (Oxidación): El ánodo está formado por cadmio metálico ($\text{Cd}$) u óxido de cadmio, que se oxida reaccionando con los iones hidroxilo para formar hidróxido de cadmio ($\text{Cd}(\text{OH})_2$) y liberar electrones.
2. Cátodo (Reducción): El cátodo está compuesto por oxihidróxido de níquel ($\text{NiOOH}$), que se reduce reaccionando con el agua y los electrones para formar hidróxido de níquel ($\text{Ni}(\text{OH})_2$).

La composición del electrolito se mantiene constante durante la descarga. Destaca por su capacidad para suministrar intensidades muy elevadas durante largos periodos sin caída apreciable de tensión.