Batería , en electricidad y electroquímica, cualquiera de una clase de dispositivos que convierten la energía química directamente en energía eléctrica. Aunque el término batería , en uso estricto, designa un conjunto de dos o más celdas galvánicas capaces de tal conversión de energía , se aplica comúnmente a una sola celda de este tipo.
pila de dióxido de manganeso alcalino: vista en corte Vista en corte de una celda de energía de dióxido de manganeso alcalino. Encyclopædia Britannica, Inc.
Cada batería (o celda) tiene un cátodo o placa positiva y un ánodo o placa negativa. Estos electrodos deben estar separados y a menudo sumergidos en un electrolito que permite el paso de iones entre los electrodos. Los materiales de los electrodos y el electrolito se eligen y disponen de manera que fuerza electromotriz (medido en voltios ) y corriente eléctrica (medido en amperios) se puede desarrollar entre los terminales de una batería para operar luces, máquinas u otros dispositivos. Dado que un electrodo contiene solo un número limitado de unidades de energía química convertible en energía eléctrica, se deduce que una batería de un tamaño dado tiene solo una cierta capacidad para operar dispositivos y eventualmente se agotará. Las partes activas de una batería suelen estar encerradas en una caja con un sistema de tapa (o chaqueta) que mantiene el aire afuera y el solvente electrolítico adentro y que proporciona una estructura para el ensamblaje.
celda electroquímica: componentes básicos Componentes básicos de una celda electroquímica. Encyclopædia Britannica, Inc.
Las baterías disponibles comercialmente se diseñan y fabrican teniendo en cuenta los factores del mercado. La calidad de los materiales y la complejidad del diseño de electrodos y contenedores se reflejan en el precio de mercado que se busca para cualquier producto específico. Sin embargo, a medida que se descubren nuevos materiales o se mejoran las propiedades de los tradicionales, el rendimiento típico de los sistemas de baterías incluso más antiguos a veces aumenta en grandes porcentajes.
Las baterías se dividen en dos grupos generales: (1) baterías primarias y (2) baterías secundarias o de almacenamiento. Las baterías primarias están diseñadas para usarse hasta que el voltaje sea demasiado bajo para operar un dispositivo dado y luego se desechan. Las baterías secundarias tienen muchas características especiales de diseño, así como materiales particulares para los electrodos, que permiten su reconstitución (recarga). Después de una descarga parcial o completa, se pueden recargar mediante la aplicación de voltaje de corriente continua (CC). Si bien el estado original generalmente no se restaura por completo, la pérdida por ciclo de recarga en las baterías comerciales es solo una pequeña fracción del 1 por ciento, incluso en condiciones variadas.
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El ánodo de una celda electroquímica suele ser un metal que se oxida (cede electrones) a un potencial entre 0,5 voltio y aproximadamente 4 voltios por encima del cátodo. El cátodo generalmente consiste en un óxido o sulfuro metálico que se convierte a un estado menos oxidado al aceptar electrones, junto con iones, en su estructura. Se debe proporcionar un enlace conductor a través de un circuito externo (por ejemplo, una lámpara u otro dispositivo) para transportar electrones desde el ánodo al contacto negativo de la batería. También debe haber suficiente electrolito. El electrolito consta de un solvente (agua, un líquido orgánico o incluso un sólido) y uno o más químicos que se disocian en iones en el solvente. Estos iones sirven para entregar electrones y materia química a través del interior de la celda para equilibrar el flujo de corriente eléctrica fuera de la celda durante el funcionamiento de la celda.
La utilidad de la batería está limitada no solo por la capacidad, sino también por la rapidez con la que se puede extraer corriente de ella. Los iones de sal elegidos para la solución de electrolito deben poder moverse lo suficientemente rápido a través del solvente para transportar materia química entre los electrodos igual a la tasa de demanda eléctrica. Por tanto, el rendimiento de la batería está limitado por difusión tasas de productos químicos internos así como por capacidad.
El voltaje de una celda individual y las velocidades de difusión dentro de ella se reducen si el temperatura se baja desde un punto de referencia, como 21 ° C (70 ° F). Si la temperatura cae por debajo del punto de congelación del electrolito, la celda generalmente producirá muy poca corriente útil y en realidad puede cambiar las dimensiones internas, lo que da como resultado daños internos y una disminución del rendimiento incluso después de que se haya calentado nuevamente. Si la temperatura se eleva deliberadamente, se puede mantener una descarga más rápida, pero esto generalmente no es aconsejable, porque los químicos de la batería pueden evaporarse o reaccionar espontáneamente entre sí, provocando fallas prematuras.
La relación fundamental del funcionamiento de la celda electroquímica, presentada por el físico-químico inglés Michael Faraday en 1834, es que por cada amperio que fluye durante un período de tiempo, debe tener lugar una reacción química correspondiente u otro cambio. El alcance de tales cambios depende de la estructura molecular y electrónica de los elementos. constituyendo los electrodos y el electrolito de la batería. También pueden ocurrir cambios secundarios, pero un par primario de reacciones teóricamente reversibles debe tener lugar en los electrodos para que se produzca electricidad. La energía real generada por una batería se mide por el número de amperios producidos × la unidad de tiempo × el voltaje promedio durante ese tiempo. Para una celda con electrodos de zinc y dióxido de manganeso (por ejemplo, la celda seca de linterna común), uno encuentra que un equivalente químico de zinc pesa 32.5 gramos (1.4 onzas) y el de dióxido de manganeso alrededor de 87 gramos (3.1 onzas). La descarga de un peso equivalente de cada uno de estos electrodos hará que se disuelvan 32,5 gramos de zinc y que 87 gramos de dióxido de manganeso se conviertan en un óxido diferente que contenga más iones de hidrógeno y zinc. Algo del electrolito también se consumirá en la reacción. Un equivalente químico de cada electrodo produce un faraday, o 96 485 culombios de corriente igual a 26,8 amperios por hora. Si las celdas funcionan a una media de 1,2 voltios , esto produciría 32,2 vatios-hora de energía de CC. Expresado de otra manera 
dónde norte es igual al número de equivalentes químicos vertidos, F es la constante de Faraday (9.6485 × 104culombios por mol), V es el voltaje promedio (no necesariamente constante) de la celda durante el período de descarga, y 1 joule ≅ 2.78 × 10−4vatios-hora.
Pilas de linterna Pilas que proporcionan energía a una linterna. Encyclopædia Britannica, Inc.
Hay una gran cantidad de elementos y compuestos entre las que se pueden seleccionar combinaciones potencialmente útiles para las baterías. Los sistemas comerciales de uso común representan a los sobrevivientes de numerosas pruebas en las que el uso continuo depende de un voltaje adecuado, alta capacidad de transporte de corriente, materiales de bajo costo y tolerancia a la negligencia del usuario. La mejor tecnología de sellado y los plásticos hacen posible un mayor desarrollo de todos los sistemas de celdas, en particular los que utilizan litio muy activo para el ánodo. Esta situación ha dado lugar a celdas comerciales con hasta 3,9 voltios en carga y una capacidad de transporte de corriente muy alta.
Los fabricantes de baterías han diseñado muchos tamaños, voltajes y cargas de corriente diferentes para diferentes aplicaciones especializadas. En el caso de baterías domésticas comunes ( ver tabla), los tamaños estándar y las propiedades eléctricas han sido establecidos por el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) y la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). Los tamaños más comunes, dados en el formulario ANSI (IEC), son AAA (R03), AA (R6), C (R14), D (R20) y 9V (6F22).
| Baterías primarias | |||
|---|---|---|---|
| tipo | química | tamaños y aplicaciones comunes | características |
| zinc-carbono (Leclanché) | ánodo de aleación de zinc-cátodo de dióxido de manganeso con una mezcla de electrolitos de 80 por ciento de cloruro de amonio y 20 por ciento de cloruro de zinc rodeando un electrodo de varilla de carbono; 1,55 voltios por celda, disminuyendo en uso | la más amplia gama de tamaños, formas y capacidades (incluidas las principales camisas cilíndricas y rectangulares); utilizado en mandos a distancia, linternas, radios portátiles | barato y ligero; baja densidad de energía; muy deficiente para aplicaciones de alto drenaje; bajo rendimiento a bajas temperaturas; peligro de eliminación por mercurio y cadmio tóxicos presentes en la aleación de zinc |
| cloruro de zinc | ánodo de zinc-cátodo de dióxido de manganeso con electrolito de cloruro de zinc; 1,55 voltios por celda, disminuyendo en uso | amplia gama de chaquetas cilíndricas y rectangulares; utilizado en juguetes motorizados, reproductores de casetes y CD, linternas, radios portátiles | normalmente etiquetado como 'trabajo pesado'; menor caída de voltaje a tasas de drenaje más altas y temperaturas más bajas que el zinc-carbono; típicamente 2-3 veces la vida útil de las baterías de zinc-carbono; ambientalmente seguro |
| Alcalino | |||
| dióxido de zinc-manganeso | ánodo de zinc-cátodo de dióxido de manganeso con electrolito de hidróxido de potasio; 1,55 voltios por celda | amplia gama de chaquetas cilíndricas y rectangulares; mejor para usar en juguetes motorizados, reproductores de casetes y CD | larga vida útil; resistente a fugas; mejor desempeño bajo cargas pesadas; 4 a 10 veces la vida útil de las baterías de zinc-carbono |
| óxido de zinc-plata | ánodo de zinc-cátodo de óxido de plata con un electrolito de hidróxido de potasio; 1,55 voltios por celda | pilas de botón; utilizado en audífonos, relojes, calculadoras | alta densidad de energía; larga vida útil; costoso |
| zinc-aire | ánodo de zinc-cátodo de oxígeno con electrolito de hidróxido de potasio | chaquetas cilíndricas, de 9 voltios, de botón y de monedas; utilizado en audífonos, buscapersonas, relojes | la densidad de energía más alta de todas las baterías desechables; vida útil prácticamente ilimitada; ambientalmente seguro |
| Litio | |||
| sulfuro de litio-hierro | ánodo de litio-cátodo de sulfuro de hierro con electrolito orgánico; 1,6 voltios por celda | pilas cilíndricas y de botón; utilizado en cámaras digitales, pequeños electrodomésticos | alta densidad de energía; soporta altas tasas de descarga; larga vida útil; costoso |
| dióxido de litio-manganeso | ánodo de litio-cátodo de dióxido de manganeso con electrolito orgánico; 2.8-3.2 voltios por celda | pilas cilíndricas y de botón; utilizado en cámaras digitales, pequeños electrodomésticos | alta densidad de energía; soporta altas tasas de descarga; larga vida útil; costoso |
| Baterías secundarias (recargables) | |||
| tipo | química | tamaños y aplicaciones comunes | características |
| plomo-ácido | ánodo de plomo-cátodo de dióxido de plomo con electrolito de ácido sulfúrico | amplia gama de tamaños; utilizado en automóviles, sillas de ruedas, vehículos eléctricos para niños, suministros de energía de emergencia | batería más barata y pesada; larga vida; sin efecto memoria; amplia gama de tasas de descarga |
| Alcalino | |||
| niquel Cadmio | ánodo de cadmio-cátodo de dióxido de níquel con electrolito de hidróxido de potasio | camisas cilíndricas comunes; utilizado en herramientas eléctricas, teléfonos inalámbricos, equipos biomédicos | excelente rendimiento con descarga intensa; voltaje casi constante; mejor ciclo de vida recargable; efecto memoria en algunos; cadmio altamente tóxico y cancerígeno si se recicla incorrectamente |
| hidruro de níquel-metal | cátodo de lantánido o aleación de níquel ánodo-dióxido de níquel con electrolito de hidróxido de potasio | algunas chaquetas cilíndricas; utilizado en alarmas de humo, herramientas eléctricas, teléfonos móviles | alta densidad de energía; buen desempeño bajo descarga intensa; descarga casi constante de 1,2 voltios; sin efecto memoria; ambientalmente seguro |
| Litio | |||
| iones de litio | cátodo de dióxido de cobalto de litio y ánodo de carbono con electrolito orgánico | la mayoría de las chaquetas cilíndricas; utilizado en teléfonos celulares, computadoras portátiles | mayor densidad de energía y vida más corta que el níquel-cadmio; costoso; sin efecto memoria |
