Història de la pila

Erro al crear miniatura:

Ilustracions del propi Volta de la seua Corona d'elements i la seua pila voltaica, les primeres bateries de celes electroquímiques conectades en série.

La història de la pila reflectix el desenroll històric de les diferents celes electroquímiques empleades per a obtindre una corrent elèctrica a partir de l'energia física continguda en unes substàncies químiques que experimenten una reacció d'oxidació-reducció.

En este cas, el nom de pila es referix de la llanda genèric a tots els dispositius que generen una corrent contínua a partir d'una reacció química, encara que existixen diferències entre ells: celes voltaicas (primàries i secundàries), piles elèctriques, acumuladors, bateries i piles de combustible. Per a vore eixes diferències, consultar l'artícul sobre generadors electroquímics.

Primerencs experiments elèctrics i naiximent del terme bateria

La bateria de Bagdad de l'antiguetat

Ilustració de la suposta bateria de Bagdad.

Vore també: Bateria de Bagdad

Aproximadament en 1927, els arqueòlecs varen descobrir en un llogaret propenc a Bagdad, un conjunt de vasijas de terracota cada una de les quals contenia un roll de làmina de coure que albergava una vareta de ferro. Alguns científics especulen que estos artilugios podrien ser antigues celes galvàniques (al voltant de 2000 anys d'antiguetat, encara que el càlcul de l'edat seguix sent debatut), als que se'ls denomina la "Bateria de Bagdad". Es creu que un àcit comú dels aliments, com el suc de llima o vinagre, va servir com un electrolito, no obstant sembla ser que dits recipients mai varen contindre en el seu interior cap electrolito (sense el qual no varen poder haver funcionat com a bateries). Les rèpliques modernes han produït en èxit corrents elèctriques, donant crèdit a esta hipòtesis. Si la mostra va ser de fet una bateria, va poder haver segut usada per a galvanoplàstia (no obstant, per a depositar 10 grams d'or o argent en l'intensitat generada per una de dites piles s'haurien necessitat casi 6 dies de funcionament continu, per lo que és molt improvable), per a produir lleus descàrregues elèctriques com a font d'experiència religiosa, o simplement utilisada per a almagasenar rolls antics.

Pila voltaica (1780)

Gravat mostrant la teoria del galvanismo segons els experiments de Luigi Galvani. De viribus electricitatis in motu musculari commentarius, 1792.

La pila de Volta de zinc-cobre.

Erro al crear miniatura:

Esquema d'una cela galvànica de Zn-Cu.

Artícul principal → Pila voltaica.

En 1780, Luigi Galvani estava disseccionant una granota subjecta en un gancho de metal. Quan va tocar la pata de la granota en el seu bisturí de ferro, esta es va encollir com si l'animal encara estiguera viu. Galvani creïa que l'energia que havia impulsat la contracció muscular observada venia de la mateixa pata, i la va cridar "electricitat animal".

No obstant, Alessandro Volta, un amic i colega científic, no estava d'acort, creent que este fenomen estava causat realment per l'unió o contacte entre dos metals diferents que estaven units per una conexió humida. El propi Volta va verificar experimentalment esta hipòtesis, i la va publicar en 1791. Va ser perfeccionada fins que, en 1800, Volta va inventar la primera bateria o generador electroquímic capaç de produir una corrent elèctrica mantinguda en el temps, i per això va ser coneguda com a pila voltaica. La pila voltaica consistix en parells de discs de coure i zinc apilats un damunt de l'atre (d'ahí el nom de pila), separats per una capa de tela o de cartó impregnat en salmorra (est era l'electrolito). A diferència de la botella de Leyden, la pila voltaica produïa una corrent contínua i estable, i perdia poca càrrega en el temps quan no s'utilisava, encara que els seus primers models no produïen una tensió lo suficientment alta com per a produir purnes. Va experimentar en diversos metals i va trobar que el zinc i l'argent donaven els millors resultats.

Volta creïa que la corrent es produïa com a resultat de l'unió entre dos materials diferents, en solament tocar-se un a l'atre (esta teoria científica obsoleta va ser coneguda com la tensió de contacte), i no com a resultat de reaccions químiques (no obstant, vore efecte termoelèctric). En conseqüència, va considerar que la corrosió que sofrien les planches de zinc podia ser un defecte relacionat que tal volta podria corregir-se d'alguna manera en el canvi de materials. No obstant, cap científic havia conseguit evitar esta corrosió. De fet, es va observar que la corrosió era més ràpida quan es produïa més corrent. Açò va sugerir que la corrosió era realment partix integrant de la capacitat de la bateria per a produir una corrent. Açò, en part, va dur al rebuig de la teoria de la tensió de contacte en favor de la teoria electroquímica. En les ilustracions de Volta de la seua pila de corona i de la pila voltaica (primera figura de dalt), apareixen discs de metal extra en la part superior i en l'inferior que ara se sap són innecessaris. La figura que apareix en esta secció, de la pila voltaica de zinc-cobre, té el disseny modern, una indicació de que "la tensió de contacte" no és la font o causa de la força electromotriz de la pila voltaica.

La pila de artesa, que era bàsicament una pila voltaica, establida per a previndre la fuga de electrolitos.

Els models de pila originals de Volta tenien alguns fallos tècnics, com a fugues de l'electròlit i curtcircuits provocats pel pes dels discs que comprimixen els panys empapats en la salmorra. L'anglés William Cruickshank va resoldre este problema per mig de la fixació dels elements en una caixa en lloc d'amontonar-los en una pila. Açò va ser conegut com la bateria de artesa. El propi Volta va dissenyar una variant que va consistir en una cadena de gots plens d'una solució de sal, units per arcs metàlics sumergits en el líquit. Açò va ser conegut com la corona de copes o pila de corona. Estos arcs estaven fets de dos metals diferents (per eixemple, zinc i coure), soldats entre sí. Este model també va demostrar ser més eficient que les piles originals, encara que no va ser tan popular.

Un atre problema de les piles de Volta era la seua curta duració (una hora en el millor dels casos), causada per dos fenomens. El primer era que la corrent produïa la electrólisis de la dissolució d'electròlits, lo que originava una película de bombetes d'hidrogen que es formaven en l'electrodo de coure i que aumentava constantment la resistència interna de la bateria (este efecte, cridat polarisació, és contrarrestat en les cèlules modernes en mides adicionals). L'atre era un fenomen cridat d'acció local, pel qual es formaven minúsculs curtcircuits entorn a les impurees del cinc, causant la seua degradació. Este últim problema va ser resolt en 1835 per William Sturgeon, qui va descobrir que mesclant una miqueta de mercuri en el zinc s'eliminava este inconvenient.

A pesar dels seus defectes, les piles de Volta proporcionaven una corrent més permanent que les gerres o botelles de Leyden, i varen fer possibles molts experiments i descobriments nous, com l'electrólisis de l'aigua, realisada per primera volta per Anthony Carlisle i William Nicholson (químic).

Primeres bateries pràctiques

Pila Daniell (1836)

Artícul principal → Pila Daniell.

Un químic britànic cridat John Frederic Daniell va buscar una manera d'eliminar el problema de les bombetes d'hidrogen que apareixen en la pila voltaica, i la seua solució va ser utilisar un segon electrolito per a consumir l'hidrogen produït pel primer. En 1836, va inventar la pila Daniell, que consistia en una vaixell de coure ompli d'una dissolució de sulfat de coure (II), en el que se sumergix un recipient de fanc sense esmaltar ple d'àcit sulfúric i un electrodo de zinc. La barrera de fanc era porosa, lo que permetia als ions passar a través seua, pero impedia la mescla de les dos dissolució. Sense esta barrera, quan no hi havia corrent es va comprovar que els ions de coure (II) es derivaven cap a l'ànodo de zinc i sofrien la reducció sense produir una corrent, destruint la vida de la bateria.

En el temps, l'acumulació de coure podria bloquejar els poros de la barrera de fanc i acurtar la vida de la bateria. No obstant, la cela de Daniell proporcionen una corrent major i més fiable que la pila voltaica, pel depòsit de coure electrolític en el càtodo (un conductor) en lloc d'hidrogen (un aïllant). També era més segura i menys corroent. Va ser àmpliament utilisada en les rets de telégraf, fins que va ser substituïda per la pila Leclanché a finals de la década de 1860.

Tenia una tensió de funcionament d'al voltant d'1,1 volts i la reacció química era:

Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s). Iº=1,10 V

Pila de Grove (1839)

Pila de Grove.

Artícul principal → Cela de Grove.

La cela o pila de Grove va ser inventada per William Robert Grove en 1839 i és una modificació de la pila Daniell. Consistia en un ànodo de zinc sumergit en àcit sulfúric i un càtodo de platí sumergit en àcit nítric, separats per fanc poroso. La pila de Grove proporcionava una corrent elevada i un voltage casi dos voltes superior al de la pila Daniell, per lo que va anar la preferida en les rets telegràfiques d'Estats Units durant un temps. No obstant, es desprenien vapors tòxics de diòxit de nitrogen (NO₂) quan estava en operació. La tensió també es reduïa considerablement quan la càrrega disminuïa, lo que va aplegar a ser una responsabilitat quan les rets telegràfiques es varen fer més complexes.

Tenia una tensió de funcionament d'al voltant d'1,9 volts i la reacció química era:

Zn + H₂SO₄ + 2HNO₃ → ZnSO₄ + 2 H₂O + 2 NO₂↑. Iº=1,90 V

En 1840 el químic alemà Robert Wilhelm Bunsen va introduir millores en la cela de Grove substituint el càtodo de platí per un de carbono en forma de carbó polvorisat i coque. De la mateixa manera que la cela de Grove, la de Bunsen emet fums nocius de diòxit de nitrogen.

El voltage de la cela de Bunsen és d'1,72 volts i sorgix de la següent reacció:

$\text{3Zn}+{\text{8H}}^{+}+{\text{2NO}}_3^{-}\leftrightarrow {\text{3Zn}}^{2+}+2NO+{4H}_{2}O{ϵ}^o=1,72V$

Cela de gravetat (1860)

Ilustració de 1919 d'una cela de gravetat.

Artícul principal → Cela de gravetat.

Esta variant particular de la pila Daniell, també és coneguda com a cela de pata de gall per la característica forma d'un dels seus electrodos.

En algun moment durant la década de 1860, un francés de nom Callaud va inventar una variant de la pila Daniell cridada cela de gravetat. Esta versió més simple va prescindir de la barrera porosa. Açò va reduir la resistència interna del sistema i per lo tant la bateria produïa una corrent més intensa. Ràpidament es va convertir en la bateria d'elecció per a les rets telegràfiques nortamericanes i britàniques, i es va utilisar fins a la década de 1950. En l'indústria del telégraf, esta bateria es montava a sovint in situ pels propis treballadors de telégrafs, i quan s'agotava era renovada per mig de la substitució dels components consumits.

Ilustració de 1913 d'una bateria formada per 4 elements o celes de Callaud.

La cela de gravetat consistia d'un flasco de vidre, en un càtodo de coure assentat en la part inferior i un ànodo de zinc (en forma pareguda a una pata de gall), penjat per baix de la vora. S'escampaven cristals de sulfat de coure (II) junt al càtodo, i el flasco s'omplia en aigua destilada. Quan la corrent circulava es formava una capa de dissolució de sulfat de zinc en la part superior junt a l'ànodo. Esta capa superior es mantenia separada de la capa de sulfat de coure del fondo per la seua menor densitat i per la polaridad de la cèlula.

La capa de sulfat de zinc era clara en contrast en el color blau intens de la capa de sulfat de coure, lo que permetia a un tècnic comprovar la duració de la pila a simple vista. Per una atra part, esta configuració significava que la bateria solament es podia utilisar en un lloc fix, de lo contrari les dissolució es mesclarien o es derramarien. Un atre inconvenient era que tenia que estar circulant, de modo continu, una corrent per a evitar que les dos dissolució es mesclaren per difusió, per lo que esta cela no era adequada per a un us intermitent.