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Trabajo de investigación acerca de pilas y baterías...

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“Pilas y Baterías”

ÍNDICE Introducción .......................................................................................................................... 1 Historia................................................................................................................................... 2 Pilas y Baterías ¿Son lo mismo?........................................................................................ 3 Pilas....................................................................................................................................... 4 Funcionamiento................................................................................................................... 5 Partes de una pila ............................................................................................................... 6 ¿Cómo contaminan?........................................................................................................... 6 Componentes y daños ........................................................................................................ 7 Proceso de fabricación ....................................................................................................... 7 Tipos de pilas ..................................................................................................................... 11 Pilas primarias................................................................................................................... 11 Pilas ácidas, pilas salina, tipo Leclanché, o de zinc-carbono (Zn-C), o pilas secas .......... 11 Pilas alcalinas o de zinc/dióxido de manganeso (Zn/MnO) ................................................ 12 Pilas de litio .......................................................................................................................... 12 Pilas de monofluoruro de litio-carbono ............................................................................... 12 Pilas de litio-thionyl .............................................................................................................. 12 Pilas de dióxido de litio-sulfuro ............................................................................................ 13 Pilas botón ........................................................................................................................... 13 Ventajas ............................................................................................................................... 14 Desventajas ......................................................................................................................... 14 Pilas secundarias .............................................................................................................. 14 Níquel-Cadmio ..................................................................................................................... 14 Ion de Litio ........................................................................................................................... 15 Níquel Metal Hidreto (NiMH) ............................................................................................... 15 Alcalina recargable .............................................................................................................. 16 Ventajas ............................................................................................................................... 16 Electrotecnia para Ingeniería.

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“Pilas y Baterías” Desventajas ......................................................................................................................... 16 Estandarización .................................................................................................................. 17 Diferencia de voltaje (NEDA) ............................................................................................. 19 AA...................................................................................................................................... 19 N ........................................................................................................................................ 19 AAA ................................................................................................................................... 19 PP3.................................................................................................................................... 20 Baterías ................................................................................................................................ 21 Funcionamiento................................................................................................................. 21 Características .................................................................................................................. 22 Batería Húmeda ................................................................................................................ 22 Batería Seca ..................................................................................................................... 22 Tipos de baterías ................................................................................................................ 23 Plomo-ácido ...................................................................................................................... 23 Níquel-Cadmio .................................................................................................................. 23 Níquel-Hidruro Metálico .................................................................................................... 24 Iones de litio ...................................................................................................................... 24 Polímero de litio ................................................................................................................ 25 Elementos contaminantes ................................................................................................. 26 ¿Cómo se produce la contaminación? ............................................................................. 26 Efectos de los metales pesados en el medio ambiente y en la salud humana ............... 26 Mercurio ............................................................................................................................... 26 Cadmio ................................................................................................................................. 26 Plomo ................................................................................................................................... 26 Cromo ................................................................................................................................... 27 Zinc, manganeso, cobre, bismuto, plata y níquel ................................................................ 27 Grado de contaminación................................................................................................... 27 Zinc/Carbono ....................................................................................................................... 27 Alcalinas (manganeso) ........................................................................................................ 27 Mercurio ............................................................................................................................... 27

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“Pilas y Baterías” Níquel-Cadmio ..................................................................................................................... 27 ¿Qué se puede hacer para evitar la contaminación? .................................................... 27 El papel del consumidor .................................................................................................... 28 ¿Qué hacer con las baterías de automotor? ................................................................... 28 Recomendaciones .............................................................................................................. 29 Reciclaje de pilas................................................................................................................ 29 Conclusión .......................................................................................................................... 30 Bibliografía .......................................................................................................................... 31

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Introducción Las pilas y baterías son de esos artículos que podemos encontrar en todos los hogares, negocios y establecimientos alrededor del mundo, ya que el uso de la electricidad es algo fundamental en nuestra vida cotidiana. El constante perfeccionamiento de su tecnología y su abaratamiento, ha producido el desarrollo y la difusión de una gran cantidad de productos eléctricos y electrónicos portátiles, cuya fuente de energía son las pilas o baterías. Linternas, relojes, cámaras fotográficas, calculadoras, controles, juguetes, celulares, computadoras, son solo algunos de los aparatos que conforman una gran lista de productos que utilizan de estas fuentes de energía, siendo la razón de su éxito comercial la autonomía de la red eléctrica. Esta diversificación de productos refleja la enorme variedad de pilas que existe, estos modelos van variando en cuanto a forma, tamaño y tipo, y todos estos modelos los podemos encontrar en el mercado. La vida útil de una pila o batería es variable, pero dependerá principalmente del consumo eléctrico del aparato y del uso que se le dé. Esta característica provoca que, una vez agotadas, se acumulen y se conviertan en residuos de gran magnitud dentro de nuestras sociedades altamente consumistas y tecnológicas. El funcionamiento de las pilas se basa en un conjunto de reacciones químicas que proporcionan una cierta cantidad de corriente eléctrica, que si bien es pequeña, permite el funcionamiento de dispositivos electrónicos y de pequeños motores. A pesar de la gran ventaja que nos presentan las pilas y baterías con su autonomía eléctrica, existen también los efectos negativos de los compuestos químicos empleados en la reacción que produce la electricidad, ya que al ser en su mayoría metales pesados, al ser liberados al medio ambiente, producen serios problemas de contaminación.

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Historia Alrededor de 1800, Alessandro Volta (1745-1827) profesor de filosofía natural en la universidad de Pavia, construyó el primer aparato conocido capaz de generar corriente continua. Lo que hizo fue poner dos pequeños discos del tamaño de una moneda pequeña, uno de plata y el otro de zinc, en un recipiente, separados por un material esponjoso como el cuero, todo este conjunto estaba sumergido en agua salada o en otra solución alcalina, a este conjunto se le denominó pila. Tiempo después, Volta se dio cuenta que si ponía estas pilas una seguida de otra, unidas por tiras de metal se lograba que el voltaje final fuera mayor. En 1813, Sir Humphrey Davy conectó una batería gigante en el sótano de la Sociedad Real Británica, está batería estaba hecha de 2000 pares de platinas y tenía un tamaño aproximado de 100𝑚2 , con esta batería realizó experimentos que le permitieron un conocimiento más profundo sobre la naturaleza de la electricidad. Michael Faraday estaba utilizando pilas voltaicas para realizar estudios en electricidad y magnetismo, y descubrió que enviando corriente por un conductor, un campo magnético se inducía en un conductor paralelo. Continuando con sus estudios y experimentos, en 1831, Faraday descubrió que un magneto en movimiento podía generar electricidad en un conductor cercano, de esta manera se dio nacimiento al dinamo. Poco a poco los científicos fueron mejorando la idea original de la batería de Volta y en 1859, Gastón Planté inventó la batería de plomo-ácido, el primer acumulador, o sea, la primer batería que podía recargarse (en realidad, regenerar las sustancias químicas gastadas) haciendo pasar una corriente en sentido inverso a través de ella. Una batería de plomo-ácido se compone de un ánodo de plomo y un cátodo de dióxido de plomo sumergido en ácido sulfúrico. Para 1860 George Leclanche desarrolla la primera batería utilizada ampliamente (la célula de zinc carbón), el ánodo era de zinc y una aleación de mercurio, y el cátodo era un compuesto de dióxido de magnesio y un poco de carbón. Ambos (ánodo y cátodo) fueron sumergidos en una solución de cloruro de amonio, que actuaba como electrolito. El sistema fue llamado “la célula mojada”. Aunque la idea de Leclanche era barata, fue desplazada en 1880 por la célula seca. En el año de 1920, un joven científico llamado Samuel Ruben, y un joven empresario de nombre Philip Rogers Mallory se conocieron cuando Ruben visitó la fábrica de Mallory buscando un equipo que necesitaba para un experimento, juntos vieron futuro en sus proyectos y unieron la inventiva de uno con el poder de Electrotecnia para Ingeniería.

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“Pilas y Baterías” manufactura del otro. Esta unión que se mantuvo hasta 1975, año en que Mallory falleció, fue la base de la empresa: Duracell International. Las invenciones de Ruben revolucionaron la tecnología de las baterías, ya que fue él quien creo la célula de mercurio, que era mucho más eficiente que la que se utilizaba anteriormente, que era de zinc-carbón, este invento fue principalmente útil durante la Segunda Guerra Mundial. Para el año 1950, Ruben mejoró la batería alcalina de magnesio haciéndola más resistente, compacta y de gran duración.

Pilas y Baterías ¿Son lo mismo? Los términos “pila” y “batería” suelen utilizarse de forma cotidiana como sinónimos, pero lo cierto es que se tratan de dos tecnologías completamente distintas. La principal y gran diferencia que existe entre ambas, es que, la batería pierde su carga eléctrica con el paso del tiempo, mientras que la pila no. Esto quiere decir que, no importa si una pila es utilizada o no, esta conservará su carga eléctrica, y esto es algo que no sucede con las baterías. Es por esta razón que cuando uno compra un paquete de pilas, se puede observar que estas tienen una fecha de caducidad, de al menos varios años. Si uno guarda una batería, ya sea de algún dispositivo o de algún vehículo eléctrico, y la quiere volver a utilizar después de cierto tiempo, no se obtendrá el más mínimo rastro de electricidad, al menos no hasta que se vuelva a cargar la batería. Precisando más en el asunto, si se deja una batería al olvido perderá su carga eléctrica de forma constante, hasta quedar seca. Por su parte, si se abandona una pila, no se perderá la carga eléctrica, pero si se degradarán físicamente sus componentes, esto implica que se perderá la capacidad de producir una corriente eléctrica. Es por estas razones que las pilas se consideran como un generador primario, con la capacidad de producir corriente eléctrica. En cambio, las baterías son, generadores secundarios, capaces de acumular de forma química una carga eléctrica. Ahora bien, la principal y a su vez la gran ventaja que presentas las baterías en comparación con las pilas es que estas pueden recargarse una y otra vez.

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Pilas Una pila es una pequeña unidad electroquímica, contenida en una caja cuadrada o cilíndrica con dos terminales que representan los polos positivo y negativo. Sus componentes químicos son los que se convierten en energía eléctrica; por medio de un proceso químico transitorio, tras de lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo. Existen diversos tipos de pilas eléctricas, pero aun cuando son diferentes, en cada una los detalles constructivos y los materiales utilizados para producir las reacciones químicas que generen la corriente eléctrica tienen el mismo fundamento. En todas se encuentran los siguientes elementos: electrodo positivo, electrodo negativo, electrolito y despolarizante. Se pueden clasificar en húmedas y secas, según lleven o no líquido en su interior. En las pilas húmedas los cuerpos se encuentran dentro de un electrolito compuesto de una solución de agua con un ácido o sal. Estas presentan mayor interés histórico que tecnológico, ya que, debido a su gran tamaño y complejidad, han sido sustituidas en su mayoría por las pilas secas. En el caso de las pilas secas, el electrolito es absorbido por un medio poroso, su compuesto es sólido o pastoso. Los tres tipos de mayor interés, dentro de esta última categoría, son la pila Leclanché, la alcalina de manganeso y la alcalina de mercurio. Toda pila presenta una corriente que es medida en voltios, esa corriente se denomina Fuerza Electromotriz. La mayoría de las pilas son de 1,5 voltios y las hay hasta de 4,5 voltios.

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Funcionamiento Las pilas eléctricas consisten básicamente en dos electrodos metálicos sumergidos en un líquido, sólido o pasta que se llama electrolito. El electrolito es un conductor de iones. Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de los electrodos (el ánodo) se producen electrones (oxidación), y en el otro (cátodo) se produce un efecto de electrones (reducción). Cuando los electrones sobrantes del ánodo pasan al cátodo a través de un conductor externo a la pila se produce una corriente eléctrica. En el fondo, se trata de una reacción de oxidación y otra de reducción que se producen simultáneamente.

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Partes de una pila      

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Recipiente: La carcasa de acero que almacena los componentes del cátodos. Cátodo: Se trata de una mezcla de dióxido de manganeso y carbono. Los cátodos son los electrodos reducidos por la reacción electroquímica. Separador: Es una tela fibrosa no tejida que separa los electrodos. Ánodo: Polvo de metal de zinc. Los cátodos se reducen y los ánodos son los electrodos que se oxidan en la reacción. Electrodos: Este es el sitio donde tiene lugar la reacción electroquímica. Electrolito: Se trata de una solución de hidróxido de potasio en agua que actúa como el medio de movimiento de los iones en la pila. También se encarga de llevar la corriente iónica al interior de la pila. Colector: Un pasador de latón sencillo en medio del elemento que conduce electricidad al circuito exterior.

¿Cómo contaminan? Las pilas comunes están compuestas por materiales pesados, como lo son el mercurio y el cadmio, al terminarse su periodo útil, estas son desechadas a la basura. Una vez en la basura y al caer la lluvia, esta lava los restos de las pilas y arrastra al mercurio, que se abre paso a través de la tierra hasta que encuentra la napa subterránea de agua y la contamina. Al estar el agua del napa siempre en movimiento, termina volcándose en los rías y así llega al mar, contaminando así el agua de ríos y mares. Electrotecnia para Ingeniería.

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“Pilas y Baterías” Una vez contaminada el agua, se fija en la carne de los peces, contaminándola y produciendo un grave peligro para el consumo humano. Estudios revelan que el 35% de la contaminación por mercurio es ocasionada por las pilas que son incineradas con la basura doméstica. Para tener una dimensión del problema de contaminación que presentan las pilas, basta mencionar que una sola pila botón (usada comúnmente en los relojes) es capaz de contaminar 6,5 millones de litros de agua.

Componentes y daños. Estudios médicos han demostrado que el consumo constante de alimentos contaminados con mercurio puede provocar cambios de personalidad, pérdida de visión, pérdida de memoria, sordera, problemas en los riñones y en los pulmones, e incluso puede llegar a provocar cáncer. En mujeres embarazadas, el mercurio puede acumularse en la placenta y provocar daño en el cerebro y en los tejidos de los neonatos. Por otra parte, respirar cadmio puede producir lesi...