El Mundo de las Baterías: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones Esenciales

Explorando el Universo de las Baterías: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones

Definiciones Fundamentales y Clasificación

¿Qué es una Batería?

Una batería es un dispositivo que almacena energía química para ser liberada posteriormente como energía eléctrica.

Baterías Primarias (No Recargables)

En las baterías primarias (comúnmente conocidas como pilas), las reacciones electroquímicas no son reversibles. Una vez que los reactivos se transforman en productos, la batería se agota y no puede producir más electricidad.

Pila Leclanché

Es una célula primaria que no puede ser recargada. Se caracteriza por ser económica. Cuando se extrae corriente rápidamente, se acumulan productos como el amoniaco (NH₃) en los electrodos, lo que disminuye el voltaje. El electrolito es ácido (generalmente una pasta de cloruro de amonio, NH₄Cl, y cloruro de zinc, ZnCl₂) y el zinc (Zn) metálico del ánodo se consume (disuelve) durante la descarga.

Pila Alcalina

Utiliza un electrolito alcalino, como hidróxido de sodio (NaOH) o hidróxido de potasio (KOH), en vez de cloruro de amonio (NH₄Cl). En estas pilas, el zinc (Zn) no se disuelve tan fácilmente como en las pilas Leclanché. Una ventaja significativa es que mantienen mejor su voltaje cuando se extrae corriente de ellas, ofreciendo un rendimiento superior y una vida útil más larga bajo cargas elevadas.

Baterías Secundarias (Recargables)

En las baterías secundarias, la reacción de la célula electroquímica puede invertirse mediante la aplicación de una corriente eléctrica externa. Esto permite que se puedan cargar y descargar durante muchos ciclos.

Acumulador o Batería de Plomo-Ácido

Es una batería secundaria porque utiliza reacciones químicas reversibles. Está compuesta por electrodos de plomo (Pb) y óxido de plomo (IV) (PbO₂) inmersos en un electrolito de ácido sulfúrico (H₂SO₄). A veces, las placas de las baterías pueden cubrirse de sulfato de plomo (PbSO₄) (proceso conocido como sulfatación) y el electrolito puede diluirse excesivamente en agua, lo que reduce su capacidad. En tales casos, puede ser necesario utilizar una fuente externa más potente para intentar recargar la batería o revertir parcialmente la sulfatación.

Células de Plata-Cinc (Pilas de Botón)

En la reacción de estas células no hay disoluciones involucradas de forma significativa; hay poca cantidad de electrolito y los electrodos pueden estar muy próximos entre sí. El voltaje de la célula es de aproximadamente 1,8 V y su capacidad de almacenar energía es unas 6 veces mayor que la de una batería de plomo-ácido de tamaño comparable. Aplicaciones: Se utilizan comúnmente en relojes, audífonos y satélites. Cumplen los requisitos para naves espaciales y sistemas de mantenimiento de la vida debido a su alta densidad energética y fiabilidad.

Célula Níquel-Cadmio (Ni-Cd) - Batería Recargable

El ánodo es de cadmio (Cd) metálico y el cátodo es de hidróxido de níquel (III) (NiO(OH)). Proporciona un voltaje muy constante de aproximadamente 1,4 V durante la descarga. Las reacciones se invierten conectando una fuente de alimentación externa para recargarla. Se pueden recargar muchas veces porque los productos sólidos de la reacción se adhieren bien a la superficie de los electrodos. Aplicaciones: Comunes en aparatos eléctricos portátiles como máquinas de afeitar, calculadoras, herramientas inalámbricas y juguetes.

Sistemas Avanzados y Especiales de Almacenamiento Energético

Baterías de Flujo y Células de Combustible

En las baterías de flujo y células de combustible, los materiales activos (reactivos) no están contenidos dentro de la propia batería, sino que fluyen a través de ella. Estos sistemas convierten la energía química de los reactivos en electricidad de forma continua mientras se suministran los reactivos.

Células de Combustible (Detallado)

Los materiales (combustible y oxidante) pasan continuamente por la batería para convertir energía química en electricidad. Cuentan con electrodos porosos que permiten un fácil acceso de los reactivos gaseosos al electrolito. Los electrodos también suelen tener propiedades catalíticas para acelerar las reacciones. La máxima cantidad de energía eléctrica disponible teóricamente es igual a la variación de la energía libre de Gibbs (ΔG₀) para la reacción de la célula.

Existe una tendencia creciente a utilizar células de combustible basadas en la oxidación de combustibles ordinarios, como el gas natural (principalmente metano, CH₄). Se investiga activamente el desarrollo de motores basados en células de combustible, por ejemplo, mediante un proceso que incluye los siguientes pasos:

1. Vaporización del hidrocarburo líquido.
2. Conversión parcial del combustible vaporizado a monóxido de carbono (CO(g)).
3. Transformación del CO en dióxido de carbono (CO₂) e hidrógeno (H₂) utilizando vapor de agua y un catalizador (reacción de desplazamiento de gas de agua).
4. Introducción del H₂ y aire (como fuente de oxígeno) en una célula de combustión para producir energía eléctrica.

Baterías de Aire (Metal-Aire)

Las baterías de aire utilizan el oxígeno (O₂) del aire como uno de los reactivos (generalmente en el cátodo). La sustancia que se oxida en el ánodo es un metal. Un ejemplo es la batería aluminio-aire, donde el ánodo es de aluminio (Al).

Este tipo de batería se puede mantener "cargada" alimentándola continuamente con el metal (por ejemplo, trozos de aluminio) y agua. Tienen el potencial de ofrecer altas densidades energéticas; por ejemplo, una batería aluminio-aire podría permitir que un automóvil circule una distancia considerable sin necesidad de "repostar" (reemplazar el aluminio). El electrolito circula alrededor de la batería. El producto de la reacción, como el hidróxido de aluminio (Al(OH)₃) en el caso de la batería aluminio-aire, se recoge y podría, teóricamente, ser reprocesado para convertirlo de nuevo en aluminio metálico en una planta de procesado de aluminio, cerrando el ciclo del material.