Pila eléctrica

Se llama ordinariamente pila eléctrica a un dispositivo que genera energía eléctrica por 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. Se trata de un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo positivo o ánodo y el otro es el polo negativo o cátodo.

También se usa incorrectamente como sinónimo de pila el término batería, la diferencia es que la pila no ha sido diseñada para poderse recargar y por el contrario, la batería si que puede considerarse un dispositivo recargable o acumulador eléctrico. En este caso, se trata de generadores eléctricos secundarios. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas (en el primer caso uno encima de otro, "apilados", y en el segundo adosados lateralamente, "en batería"), como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. Las pilas actuales están formadas a veces por un único elemento (como sucede con las de 1,5 V que, por tanto, no son pilas en sentido estricto) y otras veces por colocando elementos unos al lado de otros, en batería (caso de las de automóvil de 12 V, p. ej., que constan de seis celdas).

La estructura fundamental de una pila consiste en piezas de dos metales diferentes introducidas en un líquido conductor de la electricidad o electrolito.

Principios de funcionamiento

Aunque la apariencia de cada una de estas celdas sea simple, la explicación de su funcionamiento dista de serlo y motivó una gran actividad científica en los siglos XIX y XX, así como diversas teorías, y la demanda creciente que tiene este producto en el mercado actual sigue haciendo de él objeto de investigación intensa.

El agua que tenga sales disueltas, es decir, agua ordinaria o agua con sal añadida, es un ejemplo de electrolito, pues el agua pura es prácticamente un aislante. El electrolito es conductor porque existen en él iones libres, partículas dotadas de carga eléctrica que pueden desplazarse por el mismo. Si se sumergen en él dos electrodos y se hace pasar una corriente eléctrica por el circuito así formado, se producen reacciones químicas entre las sustancias del conjunto. Este proceso es el conocido fenómeno de la electrólisis. Las pilas son el proceso inverso de la electrólisis, es decir, en ellas los elementos están dispuestos de tal modo que la reacción química que se produce entre sus constituyentes cuando se cierra el circuito genere una diferencia de potencial en los electrodos, de modo que se pueda suministrar corriente eléctrica a una carga externa..

El funcionamiento de una pila se basa en el potencial de contacto entre un metal y un electrolito, esto es, el potencial que se produce al poner en contacto un metal con un líquido.

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Así, al introducir una placa de zinc (Zn) en agua, el zinc se disuelve algo en forma de iones Zn⁺⁺ que pasan al líquido; esta emisión de iones hace que la placa adquiera una carga negativa respecto al líquido, pues tiene ahora un exceso de electrones, creándose entre ambos una diferencia de potencial. Los iones que están en el líquido ejercen una presión que se opone a la continuación de la disolución, la cual se detendrá cuando se alcance un valor determinado, llamado tensión de disolución. Cuando se cierra el circuito externo, los electrones del zinc retornan a través de él al polo opuesto, mientras que en el interior del electrolito se reanuda la corriente de iones que circula en sentido contrario. La imagen precedente muestra el esquema electroquímico de una celda Daniell, que se describe luego con más detalle. (Incidentalmente, obsérvese que las denominaciones de ánodo y cátodo se utilizan sobre la base del flujo de electrones por el circuito externo y no en el sentido habitual, según el cual la corriente va del polo positivo al negativo.)

Características, propiedades y forma de utilización de las pilas

Tensión, voltaje o fuerza electromotriz

El voltaje que produce un elemento electroquímico viene determinado completamente por la naturaleza de las sustancias de los electrodos y del electrolito (o de los electrolitos), así como por su concentración. Walther Nernst obtuvo el premio Nobel de química de 1920 por haber formulado cuantitativamente y demostrado las leyes que rigen este fenómeno. La conexión de elementos en serie permite multiplicar esta tensión básica cuanto se quiera.

Las propiedades puramente eléctricas de una pila se representan mediante el modelo adjunto. En su forma más sencilla está formado por una fuente de tensión perfecta (es decir, con resistencia interna nula) en serie con un resistor que representa la resistencia interna. El condensador de la versión más compleja es enormemente grande y su carga simula la descarga de la pila. Además de ello entre los terminales también aparece una capacitancia, que no suele tener importancia en las aplicaciones de corriente continua.

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Una vez fijada la tensión, la ley de Ohm determina la corriente que circulará por la carga y consecuentemente el trabajo que podrá realizarse, siempre naturalmente que esté dentro de las posibilidades de la pila, que no son infinitas, viniendo limitadas fundamentalmente por el tamaño de los electrodos (lo que determina el tamaño externo de la pila completa) y por su separación. Estos condicionamientos físicos se representan en el modelo de generador como una resistencia interna por la que pasaría la corriente de un generador ideal, es decir, de uno que pudiese suministrar una corriente infinita al voltaje predeterminado. Conforme la célula se va gastando, su resistencia interna va aumentando, lo que hace que la tensión disponible sobre la carga vaya disminuyendo, hasta que resulte insuficiente para los fines deseados, momento en el que es necesario reemplazarla. Para dar una idea, una pila nueva de las ordinarias de 1,5 V tiene una resistencia interna de unos 0,35 Ω, mientras que una vez agotada puede tener varios. Esta es la razón de que la mera medición de la tensión con un voltímetro no sirva para indicar el estado de una pila; en circuito abierto incluso una pila gastada puede indicar 1,4 V, dada la carga insignificante que representa la resistencia de entrada del voltímetro, pero, si la medición se hace con la carga que habitualmente soporte, la lectura bajará a 1,0 V o menos, momento en que esa pila ha dejado de tener utilidad. Las actuales pilas alcalinas tienen una curva de descarga más suave que las previas de carbón; su resistencia interna aumenta proporcionalmente más despacio.

Cuando se necesita una corriente mayor que la que puede suministrar un elemento único, siendo su tensión en cambio la adecuada, se pueden añadir otros elementos en la conexión llamada en paralelo, es decir, uniendo los polos positivos de todos ellos, por un lado, y los negativos, por otro. Este tipo de conexión tiene el inconveniente de que si un elemento falla antes que sus compañeros, o se cortocircuita, arrastra irremisiblemente en su caída a todos los demás.

Capacidad total

La capacidad total de una pila se mide en amperios x hora (A·h); es el número máximo de amperios que el elemento puede suministrar en una hora. Es cifra que no suele conocerse, ya que no es muy esclarecedora, por variar con la intensidad solicitada y con la temperatura. Cuando se extrae una gran corriente de manera continuada, la pila entrega menos potencia total que si la carga es más suave. También en esto las pilas alcalinas son mejores. Una de tipo D tiene una capacidad de entre 9 Ah (con una carga de 1 A) y 12 Ah (con una carga de 1 mA), mientras que los correspondientes valores para una de carbón-zinc son 1 y 7,5, respectivamente.

Dependencia de la temperatura

Como todas las reacciones químicas, las que se producen dentro de una pila son sensibles a la temperatura, acelerándose normalmente cuando ésta aumenta, lo que se traducirá en un pequeño aumento de la tensión. Más importante es el caso de la bajada, pues cuando se alcanzan las de congelación muchas pilas pueden dejar de funcionar o hacerlo defectuosamente, cosa que suelen advertir los fabricantes. Como contrapartida, si se almacenan las pilas refrigeradas, se prolongará su buen estado.

Duración fuera de servicio

Lo ideal sería que las reacciones químicas internas no se produjeran más que cuando la pila está en servicio, pero la realidad es que las pilas se deterioran por el mero transcurso del tiempo, aunque no se usen, pues los electrodos resultan atacados en lo que se conoce con el nombre de acción local. Puede considerarse que una pila pierde unos 6 mV por mes de almacenamiento, influyendo mucho en ello la temperatura. Actualmente esto no constituye un problema serio, pues, dado el enorme consumo que hay de los tipos corrientes, las que se ofrecen en el comercio son frescas. Algunos fabricantes han empezado a imprimir en los envases la fecha de caducidad del producto, lo que es una práctica encomiable.

Historia

La primera pila eléctrica fue dada a conocer al mundo por Volta en 1800, mediante una carta que envió al presidente de la Royal Society londinense. Se trataba de una serie de pares de discos (apilados) de zinc y de cobre (o también de plata), separados unos de otros por trozos de cartón o de fieltro impregnados de agua o de salmuera, que medían unos 3 cm de diámetro. Hoy sabemos que cada uno de estos elementos suministra una tensión de 0,75 V aproximadamente, pero ninguno de estos conceptos estaba disponible entonces; su apilamiento conectados en serie permitía aumentar la tensión a voluntad, otro descubrimiento de Volta. El invento constituía una novedad absoluta y gozó de un éxito inmediato y muy merecido, ya que inició la era eléctrica en que actualmente vivimos, al permitir el estudio experimental preciso de la electricidad, superando las enormes limitaciones que presentaban para ello los generadores electrostáticos, únicos disponibles con anterioridad. Otra disposición también utilizada y descrita por Volta para el aparato estaba formada por una serie de vasos con líquido (unos junto a otros, en batería), en los que se sumergían las tiras de los metales, conectando externamente un metal con otro.

Inmediatamente empezaron a hacerse por toda Europa y América innumerables pruebas con diversos líquidos, metales y disposiciones, tratando de mejorar las características del aparato original, cosa que pocas veces se consiguió, pero que originó una infinidad de distintos tipos de pilas, de los cuales no ha quedado memoria más que de los más notables.

El elemento Daniell, dado a conocer en 1836 y del que luego fueron muy usadas determinadas variantes constructivas, está formado por un electrodo de zinc sumergido en una disolución de sulfato de zinc y otro electrodo de cobre sumergido en una disolución concentrada de sulfato de cobre. Ambos electrolitos están separados por una pared porosa para evitar su reacción directa. En esta situación la tensión de disolución del zinc es mayor que la presión de los iones Zn⁺⁺ y el electrodo se disuelve, emitiendo Zn⁺⁺ y quedando cargado negativamente, proceso en el que se liberan electrones y que recibe el nombre de oxidación. En la disolución de sulfato de cobre, debido a su gran concentración de iones Cu, se deposita Cu⁺⁺ sobre el electrodo de este metal que de este modo queda cargado positivamente, mediante el proceso denominado reducción, que implica la incorporación de electrones. Esta pila presenta una diferencia de potencial de entre 1,07 y 1,14 V entre sus electrodos. Su gran ventaja respecto a otras de su tiempo fue la constancia del voltaje generado, debido a la elaborada disposición, que facilita la despolarización, y a la reserva de electrolito, que permite mantener su concentración durante más tiempo.

El elemento Grove (1839) utiliza como despolarizador el ácido nítrico NO₃H. Su fuerza electromotriz es de 1,9 a 2,0 V. Originariamente utilizaba platino para el ánodo, pero Cooper y Bunsen lo sustituyeron luego por carbón; el cátodo era de zinc tratado con mercurio. Fue muy apreciado por su estabilidad y su mayor energía, a pesar del gran inconveniente que representa la emisión de humos corrosivos. El mismo Grove y en el mismo año elaboró un elemento que producía energía eléctrica por medio de la recombinación de hidrógeno y de oxígeno, lo que constituye el precedente de los generadores contemporáneos conocidos como pilas de combustible.

El elemento Leclanché (1868) utiliza una solución de cloruro amónico en la que se sumerjen electrodos de zinc y de carbón, rodeado éste último por una pasta de dióxido de manganeso y polvo de carbón como despolarizante. Suministra una tensión de 1,5 V y su principal ventaja es que se almacena muy bien, pues el zinc no es atacado más que cuando se extrae corriente del elemento.

Este tipo de pila sirvió de base para el importante avance que constituyó la pila seca, al que pertenecen ya prácticamente todas las utilizadas hoy en día. Los tipos hasta ahora descritos eran húmedos, pues contenían líquidos, que no solo hacían inconveniente su transporte, sino que además solían emitir gases peligrosos y olores desagradables. Las pilas secas, en cambio, estaban formadas por un recipiente cilíndrico de zinc, que era el polo negativo, relleno de una pasta electrolítica, y por una barra de carbón en el centro (electrodo positivo), todo ello sellado para evitar fugas. (Previamente se habían realizado otro tipo de pilas secas, como la de Zamboni (1812), pero eran dispositivos puramente experimentales, que no proporcionaban ninguna corriente útil.) La sequedad es naturalmente relativa, en primer lugar porque un elemento rigurosamente seco no suministraría electricidad alguna, de modo que lo que se encuentra en el interior de las pilas es una pasta o gel, cuya humedad se procura por todos los medios conservar, pero además porque el uso y el paso del tiempo tienden a corroer el contendedor, de modo que la pila puede sudar, vertiendo parte de su electrolito al exterior, donde puede atacar a otros metales, por lo que se recomienda extraerlas cuando no se las necesite durante mucho tiempo o cuando ya hayan trabajado mucho. Este inconveniente está muy atenuado en los productos de finales del siglo XX gracias a la utilización de recipientes de acero inoxidable, pero todavía se produce alguna vez.

Importantes en otro sentido han sido las pilas patrón, destinadas a usos de calibración y determinación de unidades, como la pila Clark (1870), de zinc y mercurio, cuya tensión era de 1,457 V, y la pila Weston (1891), de cadmio y mercurio, con 1,018 V. Estas tensiones se miden en vacío, es decir, sin tener ninguna carga externa conectada, y a una temperatura constante de 20º C.

Tipos corrientes de pilas

La distinción entre pilas que no utilizan más que un electrolito y las que utilizan dos, o la existente entre pilas húmedas y secas, son ya exclusivamente de interés histórico y didáctico, pues todas las pilas que se utilizan actualmente son prefabricadas, estancas y responden a tipos bastante fijos, lo que facilita su comercialización y su uso. Naturalmente sigue habiendo variaciones en los materiales que las componen, lo que sirve para diferenciarlas, como lo hace su forma externa.

Las pilas eléctricas y algunos acumuladores se presentan en unas cuantas formas normalizadas. Las más frecuentes actualmente comprenden la serie A (A, AA, AAA, AAAA), B, C, D, F, G, J y N, 3R12, 4R25 y sus variantes, PP3, PP9 y las baterías de linterna 996 y PC926. Las características principales de todas ellas y de otros tipos menos habituales se incluyen en la tabla siguiente (que también puede verse separadamente).

Pueden encontrarse datos interesantes sobre los códigos de los distintos fabricantes y sus equivalencias en y en [http://batterywholesale.com/lithium_cross.html.

Las baterías y el medio ambiente

Como se ha visto, las baterías se fabrican con metales y con productos químicos, que pueden resultar perjudiciales para el medio ambiente produciendo contaminación química. Es muy importante no tirarlas a la basura (en algunos países no está permitido), llevándolas a centros de reciclado. La mayoría de los proveedores y tiendas especializadas también se hacen cargo de las baterías gastadas.

Véase también

Batería de iones de litio

Enlaces externos

Pilas eléctricas

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