18.8: Baterias y Celdas de Combustible

Una batería es una celda galvánica que se utiliza como fuente de energía eléctrica para aplicaciones específicas. Las baterías modernas existen en una multitud de formas para adaptarse a diversas aplicaciones, desde diminutas baterías de botón como las que alimentan relojes de pulsera hasta las baterías más grandes utilizadas para suministrar energía de reserva a las redes eléctricas municipales. Algunas baterías están diseñadas para aplicaciones de un solo uso y no se pueden recargar (celdas primarias), mientras que otras se basan en reacciones de celda convenientemente reversibles que permiten la recarga mediante una fuente de alimentación externa (celdas secundarias).

Baterías de un solo uso (primarias)

Una celda seca es una batería principal común que utiliza zinc como contenedor y ánodo (terminal “–”) y una varilla de grafito como cátodo (terminal “+”). La lata de Zn se llena con una pasta electrolítica que contiene óxido de manganeso (IV), cloruro de zinc (II), cloruro de amonio y agua. Una varilla de grafito se sumerge en la pasta electrolítica para completar la celda. La reacción de celda espontánea implica:

El voltaje (potencial de celda) de una celda seca es de aproximadamente 1,5 V (E_celda ~ 1,5 V). Las celdas secas están disponibles en varios tamaños (por ejemplo, D, C, AA, AAA). Todos los tamaños de celdas secas comprenden los mismos componentes y presentan el mismo voltaje, pero las celdas más grandes contienen mayores cantidades de reactivos redox y, por lo tanto, son capaces de transferir cantidades de carga proporcionalmente mayores. Al igual que otras celdas galvánicas, las celdas secas se pueden conectar en serie para producir baterías con mayores salidas de voltaje, si es necesario. 

Las baterías alcalinas fueron diseñadas alrededor de las mismas parejas redox que la celda seca. Como su nombre lo indica, estos tipos de baterías utilizan electrolitos alcalinos, a menudo hidróxido de potasio. Las reacciones son

Una pila alcalina puede suministrar entre tres y cinco veces la energía de una pila seca de tamaño similar (E_celda = +1,43 V). Las baterías alcalinas son propensas a fugas de hidróxido de potasio, por lo que deben retirarse de los dispositivos para su almacenamiento a largo plazo. Aunque algunas pilas alcalinas son recargables, la mayoría no lo son.

Baterías recargables (secundarias)

Las baterías de níquel-cadmio, o NiCd, constan de un cátodo chapado en níquel, un ánodo chapado en cadmio y un electrodo de hidróxido de potasio. Las placas positiva y negativa, las cuales el separador evita que hagan cortocircuito, se enrollan juntas y se colocan en la caja. Este diseño permite que la celda NiCd proporcione mucha más corriente que una pila alcalina de tamaño similar. Las reacciones son

Si se trata correctamente, una batería NiCd puede recargarse unas 1000 veces (E_celda ~ 1,3 V). El cadmio es un metal pesado tóxico, por lo que las baterías de NiCd nunca deben romperse ni incinerarse, y deben desecharse de acuerdo con las directrices pertinentes acerca de residuos tóxicos.

Las baterías de iones de litio se encuentran entre las baterías recargables más populares y se utilizan en muchos dispositivos electrónicos portátiles. Las reacciones son

La estequiometría variable de la reacción de celda conduce a la variación en los voltajes de celda, pero para condiciones típicas, x no suele ser superior a 0,5, y el voltaje de celda es de aproximadamente 3,7 V (E_celda ~ 3,7). Las baterías de litio son populares porque pueden proporcionar una gran cantidad de corriente, son más ligeras que los otros tipos de baterías comparables, producen un voltaje casi constante a medida que se descargan y sólo pierden lentamente su carga al estar almacenadas.

La batería de plomo-ácido es también un tipo de batería secundaria que se usa comúnmente en los automóviles. Es económica y capaz de producir la alta corriente requerida por los motores de arranque de los automóviles. Las reacciones para una batería de plomo-ácido son

Cada celda produce 2 V (E_celda ~ 2 V), por lo que seis celdas se conectan en serie para producir una batería de automóvil de 12 V. Las baterías de plomo-ácido son pesadas y contienen un electrolito líquido cáustico, H₂SO₄ (ac), pero a menudo siguen siendo la batería de elección debido a su alta densidad de corriente. Puesto que estas baterías contienen una cantidad significativa de plomo, siempre deben desecharse correctamente.

Celdas de combustible

Una celda de combustible es una celda galvánica que utiliza combustibles tradicionales, más a menudo hidrógeno o metano, que son continuamente alimentados en la celda junto con un oxidante. Dentro de la celda, el combustible y el oxidante experimentan la misma química redox que cuando están en combustión, pero a través de un electroquímico catalizado que es perceptiblemente más eficiente. Por ejemplo, una típica celda de combustible de hidrógeno utiliza electrodos de grafito incrustados con catalizadores a base de platino para acelerar las dos reacciones de semi-celda:

Estos tipos de pilas de combustible suelen producir voltajes de aproximadamente 1,23 V (E_celda ~ 1,23 V). En comparación con un motor de combustión interna, la eficiencia energética de una celda de combustible que utiliza la misma reacción redox suele ser más del doble (~20%–25% para un motor frente a ~50%–75% para una celda de combustible). Las celdas de combustible de hidrógeno se utilizan comúnmente en misiones espaciales extendidas, y se han desarrollado prototipos para vehículos personales.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 17.5: Baterías y Celdas de Combustible.

Las baterías son celdas voltaicas que se utilizan como fuentes eléctricas portátiles. Se clasifican en baterías primarias o no recargables y secundarias o recargables. La batería principal común es la batería seca.

Contiene una caja de zinc como ánodo y un cátodo de grafito sumergido en una pasta electrolítica ácida y húmeda de óxido de manganeso y cloruro de amonio. El zinc se oxida en cloruro de zinc, y el óxido de manganeso se reduce a óxido de manganeso sólido generando un potencial de 1, 5 voltios. Cuando funcionan, los electrodos se agotan, lo que hace que las baterías se sequen de un solo uso.

Las baterías alcalinas son similares, pero utilizan un electrolito alcalino que prolonga su vida útil y de almacenamiento. Las baterías de plomo-ácido son baterías secundarias que se utilizan principalmente en automóviles. Por lo general, tienen seis celdas electroquímicas conectadas en serie, que generan un potencial total de 12 voltios.

Cada celda tiene un ánodo de plomo y un cátodo de óxido de plomo sumergido en ácido sulfúrico. Durante la descarga, las reacciones redox depositan sulfato de plomo sólido en ambos en electrodos, que se vuelven a convertir durante la recarga mediante el uso de una fuente de alimentación externa. Las baterías recargables de níquel-cadmio contienen un cátodo de oxihidróxido de níquel, un ánodo de cadmio, y un electrolito de hidróxido de potasio.

Cuando funcionan, el ánodo se oxida a hidróxido de cadmio sólido, y el cátodo se reduce a hidróxido de níquel sólido, generando un potencial de celda de 1, 3 voltios. Sin embargo, la toxicidad del cadmio lleva al reemplazo de las baterías de níquel-cadmio por baterías de hidruro metálico de níquel ecológicas. Aquí, el cátodo sigue siendo el mismo, pero el ánodo es una aleación que absorbe hidrógeno.

La reacción anódica implica la formación de agua a partir de hidrógeno. Las baterías de iones de litio son las baterías secundarias más nuevas. El metal de litio liviano hace que estas baterías sean portátiles con alta densidad de energía.

Una batería de iones de litio contiene un ánodo de grafito litiado y un cátodo de óxido de metal de transición de litio. Cuando se carga, el metal de transición se oxida, mientras que los iones de litio se incorporan entre las capas de grafito anódico. Tras la descarga, los iones de litio fluyen del ánodo al cátodo generando un potencial de 3, 7 voltios.

Por último, las baterías de combustible son baterías voltaicas que requieren un suministro externo continuo de reactivos redox para la producción de energía. Una batería de combustible de hidrógeno típica utiliza hidrógeno y oxígeno del aire para generar una corriente mientras emite agua. Los electrodos de grafito contienen catalizadores a base de platino para acelerar la reacción redox.