Bateria elèctrica

En el nom pila elèctrica es fa referència a un dispositiu capaç de convertir energia química en energia elèctrica per mig d'un procés químic transitori d'intercanvi d'electrons, conegut com a reacció d'oxidació-reducció (reacció redox), que es produïx en conectar els electrodos del dispositiu. Una volta que la reacció s'ha completat, cessa la seua activitat i han de renovar-se els seus elements constituents, ya que les seues característiques resulten alterades durant el mateix. Es tracta d'un generador primari (no recargable) o secundari (recargable). Esta energia resulta accessible per mig de dos terminals que té la pila, cridats pols, electrodos o borns. Un d'ells és el pol positiu o càtodo i l'atre és el pol negatiu o ànodo. L'estructura fonamental d'una pila consistix en dos electrodos, metàlics en molts casos, introduïts en una dissolució conductora de l'electricitat o electrolito. Bàsicament i en definitiva, una pila elèctrica és el format industrialisat i comercial de la cela galvànica o voltaica. Lo correcte és utilisar el terme pila quan es menciona al dispositiu que posseïx una sola cela d'energia i bateries quan posseïx dos o més celes d'energia, encara que segons països i contexts els térmens poden intercanviar-se o confondre's.

Vàries piles i bateries (esquerra superior a dreta inferior): dos AA, una D, una bateria d'handy (walkie-talkie), dos de 9 volts (PP3), dos AAA, una C, una bateria de filmadora casera, una bateria de teléfon inalàmbric.

Dibuix de la primera pila elèctrica feta per Alessandro Volta el 20 de març de 1800.

En este artícul es descriuen les piles no recargables.

Nom

En l'espanyol hi ha hagut per costum cridar-la aixina, mentres que al dispositiu recargable o acumulador, se li ha vingut cridant bateria. Tant pila com a bateria són térmens provinents dels primers temps de l'estudi de la electricitat, quan es juntaven varis elements, discs metàlics o celes. En el primer cas un damunt d'un atre, “apilats” (en paral), i en el segon adossats lateralment (en série), “en bateria”— com se seguix fent actualment, per a aixina aumentar la magnitut dels fenomens elèctrics i poder estudiar-els sistemàticament

Història

Artícul principal → Història de la pila.

El símbol electrònic per a una bateria en un diagrama de circuits. El mateix es va originar com un dibuix esquemàtic del tipo més primerenc de bateria, una pila voltaica.

La primera pila elèctrica va ser la cridada pila voltaica, que va ser donada a conéixer per Alessandro Volta en 1800 per mig d'una carta que va enviar al president de la Royal Society londinenca. Es tractava d'una série de parells de discs (apilats) de zinc i de coure (o també d'argent), separats uns d'uns atres per trossos de cartó o de feltre impregnats de salmorra, que medien uns 3 cm de diàmetro. Quan es va fixar una unitat de mida per a la diferència de potencial, el volt (precisament en honor de Volta) es va poder saber que cada u d'eixos elements suministrava una tensió de 0,75 V aproximadament, pero cap d'estos conceptes es coneixia llavors. El seu apilamiento conectats en série permetia aumentar la tensió a voluntat, un atre descobriment de Volta. L'invent constituïa una novetat absoluta i va gojar d'un èxit immediat i molt mereixcut, ya que va iniciar l'era elèctrica en que actualment vivim, en permetre l'estudi experimental precís de l'electricitat, superant les enormes llimitacions que presentaven per a això els generadors electrostàtics, que són els únics que existien fins al moment. Un atre tipo més primerenc de configuració també utilisada i descrita per Volta per a l'aparat estava formada per una série de gots en líquit (uns junt a uns atres, en bateria), en els que se sumergien les tires dels metals, conectant externament un metal en un atre. Immediatament varen escomençar a fer-se per tota Europa i Amèrica innumerables proves en diversos líquits, metals i configuracions, tractant de millorar les característiques de l'aparat original, cosa que poques voltes es va conseguir, pero que va originar una infinitat de distints tipos de piles, dels quals no ha quedat memòria més que dels més notables. La pila Daniell, inventada per John Frederic Daniell, donada a conéixer en 1836 i de la que després s'han usat àmpliament determinades variants constructives, està formada per un electrodo de cinc sumergit en una dissolució de sulfat de cinc i un atre electrodo de coure sumergit en una dissolució concentrada de sulfat de coure. Abdós electrolitos estan separats per una paret porosa per a evitar la seua reacció directa. En esta situació, la tensió de dissolució del cinc és major que la pressió dels ions Zn⁺⁺ i l'electrodo es dissol, emetent Zn⁺⁺ i quedant carregat negativament, procés en el que es lliberen electrons i que rep el nom d'oxidació. En la dissolució de sulfat de coure, per la seua gran concentració d'ions Cu⁺⁺, es deposita Cu sobre l'electrodo d'este metal que, d'esta manera, queda carregat positivament per mig del procés denominat reducció, que implica l'incorporació d'electrons. Esta pila presenta una diferència de potencial d'1,07 a 1,14 V entre els seus electrodos. La seua gran ventaja respecte a atres del seu temps va ser la constància del voltage generat, per l'elaborada configuració, que facilita la despolarisació, i a la reserva d'electrolito, que permet mantindre la seua concentració durant més temps. La pila Grove (1839) utilisa com despolarizador el àcit nítric HNO₃. La seua diferència de potencial o força electromotriz és d'1,9 a 2,0 V. Originàriament utilisava platí per a l'ànodo, pero Cooper i Bunsen ho varen substituir després per carbó. El càtodo era de cinc tractat en mercuri. Va ser molt apreciada per la seua estabilitat i la seua major energia, a pesar del gran inconvenient que representa l'emissió de fums corroents. El propi Grove va elaborar, eixe mateix any, una pila que produïa energia elèctrica per mig de la recombinació d'hidrogen i d'oxigen, lo que constituïx el precedent dels generadors contemporàneus coneguts com piles de combustible.

Primitiva pila Leclanché i els seus elements constitutius

La pila Leclanché, dissenyada per Georges Leclanché en 1868, utilisa una solució de clorur amònic en la que se sumergixen electrodos de cinc i de carbó, rodejat este últim per una pasta de diòxit de manganeso i pols de carbó com despolarizante. Suministra una tensió d'1,5 V i la seua principal ventaja és que s'almagasena molt be, puix el cinc no és atacat més que quan s'extrau corrent de l'element. Este tipo de pila va servir de base per a l'important alvanç que va constituir la pila denominada seca, al que pertanyen pràcticament totes les utilisades hui. Els tipos fins ara descrits eren denominats humits, puix contenien líquits, que no solament feyen inconvenient el seu transport, sino que solien emetre gasos perillosos i olors desagradables. Les piles seques, en canvi, estaven formades per un recipient cilíndric de cinc, que era el pol negatiu, farcidura d'una pasta electrolítica, i per una barra de carbó en el centre (electrodo positiu), tot això sagellat per a evitar fugues. Prèviament s'havia realisat un atre tipo de piles seques, com la de Zamboni (1812), pero eren dispositius purament experimentals, que no proporcionaven cap corrent útil. La sequetat és relativa, en primer lloc perque un element rigorosament seque no suministraria electricitat alguna, de modo que lo que es troba en l'interior de les piles és una pasta o gel, la humitat de la qual es procura per tots els mijos conservar, pero ademés perque l'us i el pas del temps tendixen a corroer el contendedor, de modo que la pila pot abocar part de la seua electrolito a l'exterior, a on pot atacar a atres metals. Per esta raó es recomana extraure-les quan no s'utilisen durant molt temps o quan ya han treballat molt. Este inconvenient està molt atenuat en els productes de finals d'el XX gràcies a l'utilisació de recipients d'acer inoxidable, pero encara es produïx alguna volta. Importants en un atre sentit han segut les piles patró, destinades a usos de calibración i determinació d'unitats, com la pila Clark (1870), de cinc i mercuri, la tensió del qual era d'1,457 V, i la pila Weston (1891), de cadmi i mercuri, en 1,018 V. Estes tensions es medixen en buit, és dir, sense tindre cap càrrega externa conectada, i a una temperatura constant de 20 °C.

Principi de funcionament

Una cela voltaica per a usar en demostracions. En este eixemple les dos semiceldas estan conectades per un pont salino que permet la transferència d'ions, pero no molècules d'aigua.

La pila Cu-Ag, un eixemple de reacció redox

Encara que l'apariència de cada una d'estes celes siga simple, l'explicació del seu funcionament dista de ser-ho i va motivar una gran activitat científica en els sigles XIX i XX, aixina com diverses teories. Les piles bàsicament consistixen en dos electrodos metàlics sumergits en un líquit, sòlit o pasta que es diu electrolito. El electrolito és un conductor d'ions. Quan els electrodos reaccionen en el electrolito, en un dels electrodos (el ànodo) es produïxen electrons (oxidació), i en l'atre (càtodo) es produïx un defecte d'electrons (reducció). Quan els electrons sobrers de l'ànodo passen al càtodo a través d'un conductor extern a la pila es produïx una corrent elèctrica. Com pot vore's, en el fondo, es tracta d'una reacció d'oxidació i una atra de reducció que es produïxen simultàneament.

Característiques, propietats i forma d'utilisar les piles

Tensió elèctrica

La diferència de potencial, voltage o tensió que produïx un element electroquímic o cela electroquímica ve determinat per la naturalea de les substàncies dels electrodos i del electrolito, aixina com pel seu concentració. Walther Nernst va obtindre el premi Nobel de química de 1920 per haver formulat cuantitativamente i demostrat les lleis que rigen este fenomen.

Un artefacte per a verificar el voltage d'una bateria.

La conexió d'elements en série (apilant elements o posant-els en bateria) permet multiplicar esta tensió bàsica quant es vullga. Les propietats purament elèctriques d'una pila es representen per mig del model adjunt. En la seua forma més senzilla, està format per una font de tensió perfecta —és dir, en resistència interna nula— en série en un resistor que representa la resistència interna. El condensador de la versió més complexa és enormement gran i la seua càrrega simula la descàrrega de la pila. Ademés d'això, entre els terminals també apareix una capacitancia, que no sol tindre importància en les aplicacions de corrent contínua.

Símbol d'una pila (esquerra); model elèctric simplificat (centre); model més elaborat (dreta).

Una volta fixada la tensió, la llei d'Ohm determina la corrent que circularà per la càrrega i conseqüentment el treball que podrà realisar-se, sempre que estiga, naturalment, dins de les possibilitats de la pila, que no són infinites, sino que estan llimitades fonamentalment pel tamany dels electrodos —lo que determina el tamany extern de la pila completa— i per la seua separació. Estos condicionamientos físics es representen en el model de generador com una resistència interna per la que passaria la corrent d'un generador ideal, és dir, d'un que poguera suministrar una corrent infinita al voltage predeterminat. Conforme la cèlula es va gastant, la seua resistència interna va aumentant, lo que fa que la tensió disponible sobre la càrrega vaja disminuint, fins que resulte insuficient per als fins desijats, moment en el que és necessari reemplaçar-la. Per a donar una idea, una pila nova de les ordinàries d'1,5 V té una resistència interna d'uns 350 mΩ, mentres que una volta agotada pot aumentar considerablement este valor. Esta és la raó de que la mera medició de la tensió en un voltímetro no servixca per a indicar l'estat d'una pila. En circuit obert, inclús una pila gastada pot indicar 1,4 V, donada la càrrega insignificant que representa la resistència d'entrada del voltímetro, pero, si la medició es fa en la càrrega que habitualment podria soportar, la llectura baixarà a 1,0 V o menys, moment en que eixa pila ha deixat de tindre utilitat. Les actuals piles alcalinas tenen una curva de descàrrega més suau que les antigues de carbó. La seua resistència interna aumenta proporcionalment més despacio. Quan es necessita una corrent major que la que pot suministrar un element únic, sent la seua tensió en canvi l'adequada, es poden afegir atres elements en la conexió anomenada en paral, és dir, unint els pols positius de tots ells, per un costat, i els negatius, per un atre. Este tipo de conexió té l'inconvenient de que, si un element falla abans que els seus companyers o es cortocircuita, arrastra irremisiblemente en la seua caiguda a tots els demés. En les característiques reaccions químiques, les que es produïxen dins d'una pila són sensibles a la temperatura i, normalment, s'acceleren quan esta aumenta, lo que es traduirà en un chicotet aument de la tensió. Més important és el cas de la baixada, puix quan s'alcancen les de congelació moltes piles poden deixar de funcionar o ho fan defectuosamente, cosa de la que solen advertir els fabricants. Com a contrapartida, si s'almagasenen les piles refrigerades, es prolongarà el seu bon estat.

Vore també: Multímetro

Duració fòra de servici

Lo ideal seria que les reaccions químiques internes no es produïren més que quan la pila estiga en servici, pero la realitat és que les piles es deterioren en el pas del temps, encara que no s'usen, puix els electrodos resulten atacats en lo que es coneix en el nom d'acció local. Pot considerar-se que una pila pert uns 6 mV per més d'almagasenament, encara que depén molt de la temperatura. Actualment, açò no constituïx un problema greu puix, donat l'enorme consum que hi ha dels tipos corrents, les que s'oferixen en el comerç són de fabricació recent. Alguns fabricants imprimixen en els envasos la data de caducitat del producte.

Tipos d'acumuladors per la seua naturalea interna

Per lo que a la seua naturalea interna es referix, característiques electroquímiques, es troben habitualment en el comerç piles dels tipos que es detallen a continuació. A continuació, s'enumeren els principals tipos que es comercialisen i la seua composició química:

Pila salina

Les piles seques, de zinc-carbono o piles comunes estan formades per un recipient cilíndric de zinc, que és el pol negatiu, farcidura d'una pasta electrolítica, i per una barra de carbó en el centre (electrodo positiu), tot això sagellat per a evitar fugues. Les mides aproximades d'una pila comuna són:

• Pila de 9 V: 50 mm × 26 mm × 17 mm.
• Pila AA: 50 mm de llongitut i 14 mm de diàmetro.

Ventages

• No es descarreguen si no estan en us.

Desventages

• Una pila pot aplegar a contaminar 3 000 litros d'aigua

Piles alcalinas

Artícul principal → Pila alcalina.

En 1866, Georges Leclanché inventa en França la pila Leclanché, precursora de la pila seca (zinc-diòxit de manganeso), sistema que encara domina el mercat mundial de les bateries primàries. Les piles alcalinas (de «alta potència» o «llarga vida») són similars a les de Leclanché, pero, en lloc de clorur d'amoni, duen clorur de sodi o de potassi. Duren més perque el zinc no està expost a un ambient àcit com el que provoquen els ions d'amoni en la pila convencional. Com els ions es mouen més fàcilment a través del electrolito, produïx més potència i una corrent més estable. Les piles seques alcalinas són similars a les piles seques comunes, en les excepcions de que el electrolito és bàsic (alcalino), perque conté KOH i la superfície interior del recipient de Zn és asprosa; açò proporciona un àrea de contacte major. L'ànodo està compost d'una pasta de cinc amalgamado en mercuri (total 1 %), carbono o grafit.

• Zinc 14 % (ànodo)
• Diòxit de manganeso 22 % (càtodo)
• Carbó 2 %
• Mercuri: 0,5 a 1 % (ànodo)
• Hidròxit de potassi 19 % (electrolito)
• Plàstic i làmina 42 %

Conté un compost alcalino, cridat hidròxit de potassi. Està composta per diòxit de manganeso, MnO₂, hidròxit de potassi (KOH), pasta de zinc (Zn), amalgamada en mercuri (Hg, en total 1 %), carbó o grafit (C). Segons la Directiva Europea del 18 de març de 1991, este tipo de piles no poden superar la cantitat de 0,025 % de mercuri.

Descàrrega

Durant la descàrrega, les reaccions en la pila seca alcalina són:

Ànodo: $\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{s})+2\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})⟶\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+2\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}$

Càtodo: $2\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}⟶2\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}(\mathrm{O}\mathrm{H})(\mathrm{s})+2\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})$

Global: $\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{s})+2\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+2\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}(\mathrm{O}\mathrm{H})(\mathrm{s})$

Ventages

• Respecte a les piles convencionals entreguen més potència i una corrent més estable.
• La seua duració és sis voltes major que la de la pila de zinc-carbono.
• Resistixen millor l'us constant.

Desventages

El seu major cost es deriva de la dificultat de sagellar les piles contra les fugues d'hidròxit. Casi totes vénen blindades, lo que impedix el derramamiento dels components. No obstant, este blindage no té duració illimitada.

Característiques

El voltage d'una pila alcalina està prop d'1,5 V.

Usos

S'utilisen per a aparats complexos i d'elevat consum energètic. En les seues versions d'1,5 volts, 6 volts i 12 volts s'ampren, per eixemple, en mandos a distància (control remot) i alarmes.

Piles alcalinas de manganeso

En un contingut de mercuri que ronda el 0,1 % del seu pes total, és una versió millorada de la pila alcalina, en la que s'ha substituït el conductor iònic clorur d'amoni per hidròxit de potassi (d'ahí el seu nom d'alcalina). El recipient de la pila és d'acer, i la disposició del cinc i de l'òxit de manganeso (IV) (o diòxit de manganeso) és la contrària, situant-se el cinc, ara en pols, en el centre. La cantitat de mercuri empleada per a regularisar la descàrrega és major. Açò li conferix major duració, més constància en el temps i millor rendiment. Pel contrari, el seu preu és més elevat. També suministra una força electromotriz d'1,5 V. S'utilisa en aparats de major consum com: gravadores portàtils, joguets en motor, flashes electrònics. L'ànodo és de cinc amalgamado i el càtodo és un material polarisador compost en base en diòxit de manganeso, òxit de mercuri (II) mesclat íntimament en grafit, i en casos rars, òxit d'argent Ag₂O (estos dos últims són molt costosos, perillosos i tòxics), a fi de reduir el seu resistividad elèctrica. El electrolito és una solució d'hidròxit potásico (KOH), el qual presenta una resistència interna bajísima, lo que permet que no es tinguen descàrregues internes i l'energia puga ser acumulada durant molt temps. Este electrolito, en les piles comercials s'endurix en gelatinas o derivats de la celosa. Este tipo de pila es fabrica en dos formes. En una, l'ànodo consta d'una tira de cinc corrugada, devanada en espiral de 0,051 a 0,13 mm de gruixa, que s'amalgama despuix d'armar-la. Hi ha dos tires de paper absorbent resistent als álcalis interdevanades en la tira de paper de cinc, de modo que el cinc descolle per la part superior i el paper per la part inferior. L'ànodo està aïllat de la caixa metàlica en un manegueta de poliestireno. La part superior de la pila és de coure i fa contacte en la tira de cinc per a formar la terminal negativa de la pila. La pila està sagellada en un ojillo o anell aïllant fet de neopreno. La envoltura de la pila és químicament inerte als ingredients i forma l'electrodo positiu.

Ventages

Este tipo de piles té una duració major que les alcalinas.

Desventages

Este tipo de bateries presenta algunes desventages:

• Una pila alcalina pot contaminar 175 000 litros d'aigua, que aplega a ser el consum promig d'aigua de tota la vida de sis persones.
• Cinc, manganeso (Mn), bismut (Bi), coure (Cu) i argent (Ag) són substàncies tòxiques, que produïxen diverses alteracions en la salut humana. El cinc, manganeso i coure són essencials per a la vida, en cantitats mínimes, i tòxics en altes dosis. El bismut i l'argent no són essencials per a la vida.

Usos

Joguets, tocacintas, cambres fotogràfiques, gravadores, llanternes, etc.

Tipos de piles per forma i tamany

Artícul principal → Anexe:Tipos de pila.

La distinció entre piles que utilisen un electrolito i les que utilisen dos, o entre piles humides i seques, són exclusivament d'interés històric i didàctic, puix totes les piles que s'utilisen actualment són prefabricar, estanques i responen a tipos prou fixos, lo que facilita la seua comercialisació i el seu us. Les piles elèctriques i alguns acumuladors es presenten en unes quantes formes normalisades. Les més freqüents comprenen la série A (A, AA, AAA, AAAA), A B, C, D, F, G, J i N, 3R12, 4R25 i les seues variants, PP3, PP9 i les bateries de llanterna 996 i PC926. Les característiques principals de totes elles i d'atres tipos menys habituals s'inclouen en la taula que pot vore's ací. Cap la possibilitat d'utilisar adaptadors, en especial per a que les piles recargables AA es puguen utilisar en aparats que precisen piles C i D.<! R1>

Existixen unes normes internacionals per a l'estandardisació dels tamanys i voltages de les piles per a permetre l'utilisació d'aparats elèctrics a nivell mundial.<! R2>

Piles i el mig ambient

Pila alcalina en fuga del seu contingut.

Els metals i productes químics constituents de les piles poden resultar perjudicials per al mig ambient, produint contaminació química (per eixemple: enverinament per mercuri). És molt important no tirar-les a la fem (en alguns països no està permés), sino dur-les a centres de reciclat (Reciclage de piles i bateries). En alguns països, la majoria dels proveïdors i tendes especialisades també es fan càrrec de les piles gastades. Una volta que la envoltura metàlica que recobrix les piles es danya, les substàncies químiques es lliberen causant contaminació al mig ambient. En major o menor grau, les substàncies són absorbides per la terra, podent-se filtrar cap a les capes freàtiques, i d'estes poden passar directament als sers vius, entrant en açò en la cadena alimentària (vejau presència de mercuri en peixos). Estudis especialisats indiquen que una micropila de mercuri, pot aplegar a contaminar 600 000 litros d'aigua,<! R3> una de cinc-aire 12 000 litros i una d'òxit d'argent 14 000 litros.<! R4>^{cita requerida}

Les piles són residus perillosos per lo que, des del moment en que s'escomencen a reunir, deuen ser manipulades per personal capacitat que seguixca les precaucions adequades amprant tots els procediments tècnics i llegals de manipulació de residus perillosos. En cas contrari diverses intoxicacions són possibles, com per eixemple el enverinament per mercuri.

Vore també

• Anex: Tipos de pila
• Generador elèctric
• Bateria elèctrica
• Energia elèctrica
• Pila impolarizable
• Pila recargable

Enllaços externs

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Bateria elèctrica.

Bateria elèctrica en el Viccionari. Tens que especificar títul = i url = al usar {{cita web}}.. Tens que especificar títul = i url = al usar {{cita web}}..

• Piles: un enemic en casa.
• Cóm allargar la vida de les bateries.