¿Cómo funciona una batería?

Al observar la batería, podemos notar que tiene dos polos: uno positivo, marcado con "+", y otro negativo, marcado con "-". En el caso de las baterías cilíndricas típicas, como R6/AA o R14/C (utilizadas, por ejemplo, para alimentar linternas o juguetes), los polos son los extremos de la batería. En las baterías de automóviles, los polos son los pesados terminales de plomo.

En el polo negativo de la batería se acumulan electrones. Si conectamos con un cable el polo negativo con el positivo, los electrones se moverán lo más rápido posible del polo negativo al positivo; la batería se agotará muy rápidamente (además, desaconsejamos este tipo de experimentos debido a los peligros asociados: ¡nunca cortocircuite la batería de esta manera "brevemente"!). En condiciones normales, conectamos a la batería algún tipo de carga con un cable: una bombilla, un motor pequeño o un circuito electrónico, como una radio.

Dentro de la batería ocurre una reacción que produce electrones libres. La velocidad a la que se liberan los electrones como resultado de esta reacción (resistencia interna - resistencia - de la batería) limita, por supuesto, el número de electrones que pueden fluir entre los polos. Los electrones deben fluir desde la batería a través del cable y la carga, desde el polo negativo al polo positivo, para que ocurra la reacción química que liberará aún más. Por esta razón, podemos dejar una batería sin usar en una estantería, por ejemplo, durante un año, y luego seguir usándola sin ningún problema, siempre que los electrones no fluyan del polo negativo al polo positivo, la reacción química no ocurre. En el momento en que los polos se conectan, la reacción comienza.

Reacciones químicas en las baterías

Una de las baterías más simples es la batería de zinc-carbono. Al observar las reacciones que ocurren en su interior, podemos entender más fácilmente el principio general de funcionamiento de todas las baterías. Imaginemos que tenemos un frasco de ácido sulfúrico (H2SO4). Si colocamos una varilla de zinc en él, el ácido corrosivo comenzará a disolverla de inmediato. Veremos burbujas de hidrógeno acumulándose en la superficie del zinc, y tanto la varilla como el ácido comenzarán a calentarse.
Esto es lo que sucede:

• las moléculas de ácido se descomponen en tres iones: dos iones H+ y un ion SO4--
• los átomos de zinc en la superficie de la varilla pierden dos electrones (2e-) y se convierten en iones Zn++
• los iones Zn++ se combinan con los iones SO4-- formando ZnSO4, que se disuelve en el ácido
• los electrones de los átomos de zinc se combinan con los iones H+ y forman moléculas de H2 (hidrógeno gaseoso)

Cuando ahora colocamos una varilla de carbono en el ácido, el ácido no le hará nada. Sin embargo, si conectamos la varilla de zinc con la varilla de carbono a través de un cable, ocurrirán dos cosas:

• los electrones comenzarán a moverse a lo largo del cable y a unirse con el hidrógeno en la varilla de carbono, de la cual también comenzarán a liberarse burbujas de hidrógeno
• la liberación de calor disminuirá significativamente; usando la electricidad que fluye ahora a través del cable, podríamos, por ejemplo, alimentar una bombilla - y medir la tensión y la corriente que fluyen a través del cable - parte de la energía térmica se ha convertido en movimiento de electrones.

Los electrones "se esfuerzan" por fluir hacia la varilla de carbono porque les resulta "más fácil" unirse con el hidrógeno allí. Así construida, la celda tiene una tensión característica de 0,76V (voltio). Finalmente, la varilla de zinc se disolverá por completo, o se agotarán los iones de hidrógeno en el ácido, y la batería dejará de funcionar.
Las baterías que conocemos funcionan de la misma manera. Se diferencian en los tipos de metales y electrolitos utilizados, sin embargo, todas funcionan gracias al mismo fenómeno: electrones fluyendo de un polo a otro. Dependiendo de los componentes utilizados, también cambia la tensión característica de dicha batería. Sigamos esto con el ejemplo de una típica batería de plomo de automóvil:

• la batería contiene una placa hecha de plomo y otra de óxido de plomo, ambas sumergidas en un electrolito de ácido sulfúrico altamente concentrado
• el plomo se combina con SO4 formando PbSO4 y un electrón libre
• el óxido de plomo, los iones de hidrógeno y los iones SO4, así como los electrones de la placa de plomo, forman PbSO4 y agua en la placa de óxido de plomo; con el tiempo, ambas placas se cubren de PbSO4, y el agua se mezcla con el ácido; la tensión característica es de aproximadamente 2V - por lo tanto, al conectar en serie 6 celdas, obtenemos una batería de celdas con una tensión de 12V

La batería de plomo-ácido tiene una característica muy ventajosa: la reacción que ocurre en ella es completamente reversible. Si se hace pasar corriente a través de la batería con la tensión adecuada, el plomo y el óxido de plomo se reforman en las placas; de esta manera, ¡podemos usar la batería repetidamente! En el caso de la batería de zinc-carbono, no podemos hacer lo mismo: no hay una forma sencilla de volver a colocar el hidrógeno en el electrolito. Las baterías modernas utilizan muchos compuestos químicos para generar energía eléctrica. Los tipos de baterías más comunes son:

• baterías de zinc-carbono - tan populares que a veces se les llama "comunes"; son las baterías más utilizadas, en tamaños como R6/AA, R14/C, R20/D; los electrodos están hechos de zinc y
• carbono, con una pasta ácida colocada entre ellos, que actúa como electrolito
• baterías alcalinas - sus electrodos están hechos de zinc y óxido de manganeso, con un electrolito alcalino
• baterías de litio - utilizan litio, yoduro de litio o yoduro de plomo; se utilizan principalmente en cámaras fotográficas, debido a que pueden proporcionar energía en cortas y grandes porciones (requeridas para alimentar flashes)
• baterías de zinc-aire - utilizadas para alimentar audífonos.
• baterías de plomo-ácido - utilizadas en automóviles; los electrodos están hechos de plomo y óxido de plomo, con ácido altamente concentrado como electrolito
• baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) - los electrodos están hechos de hidróxido de níquel y cadmio, con hidróxido de potasio como electrolito
• baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH) - rápidamente reemplazaron a las baterías de níquel-cadmio en la mayoría de las aplicaciones debido a la falta de "efecto memoria", atribuido a las baterías Ni-Cd
• baterías de litio-ion - con una excelente relación capacidad-peso, se utilizan principalmente en laptops y teléfonos móviles.

Conexión de celdas / baterías

En las consideraciones anteriores, hemos utilizado las palabras "batería" y "celda" de manera intercambiable. Esto es consistente con la tendencia en el lenguaje coloquial. Sin embargo, desde un punto de vista técnico, las palabras "batería" y "celda" tienen significados bastante diferentes. Así, "celda" se refiere a una única fuente de energía, por ejemplo, como el frasco de ácido y las dos varillas conectadas por un cable (o por ejemplo, una "pilita" R6/AA). "Batería", en cambio, es un conjunto de celdas conectadas (como una batería 3R12, que consiste en tres celdas en una sola carcasa, conectadas en serie). En este sentido, utilizaremos estos dos términos en el resto de este texto.

En la mayoría de los dispositivos, no usamos una sola celda. En su lugar, conectamos varias - ya sea en serie, para obtener una mayor tensión, o en paralelo, para obtener corrientes más altas. En la conexión en serie, obtenemos la suma de las tensiones de las celdas conectadas; en la conexión en paralelo, la suma de las corrientes obtenidas de las celdas componentes.



La conexión como en el esquema superior se llama paralela. Si asumimos que cada una de las celdas tiene una tensión característica de 1,5V (como una típica celda de zinc-carbono o alcalina), la tensión obtenida en los terminales finales (indicados por las flechas) seguirá siendo de 1,5V, pero la corriente obtenida tendrá cuatro veces la intensidad que obtendríamos de una sola celda.

La conexión como en el esquema inferior se llama en serie. En este caso, las tensiones de las celdas individuales se suman, dando una tensión de 6V entre los terminales.

Al comprar una batería o celda, en el paquete generalmente se puede leer cuál es su tensión - a veces también la capacidad. Por ejemplo, las típicas baterías recargables utilizadas en cámaras digitales tienen una tensión de 1,2V y una capacidad de 2000mAh. La capacidad de 2000mAh (mAh es la abreviatura de miliamperio-hora) significa que, teóricamente, una batería de este tipo puede proporcionar una corriente de 2000mA (2000 miliamperios, es decir, 2 amperios) durante una hora, una corriente de 1A durante dos horas, una corriente de 100mA durante 20 horas, etc. Sin embargo, las celdas generalmente no se comportan de manera tan lineal. En primer lugar, cada batería tiene un límite máximo de corriente que puede proporcionar. Así, una batería de 500mAh no podrá proporcionar una corriente de 30A durante un segundo, porque no hay forma de que las reacciones químicas que ocurren dentro de la batería proporcionen tantos electrones en tan poco tiempo. En segundo lugar, a corrientes altas, las celdas generalmente se calientan mucho, lo que desperdicia gran parte de su energía. En tercer lugar, muchos sistemas químicos utilizados en baterías funcionan durante menos tiempo (¡o más!) a muy bajos consumos de corriente. Sin embargo, la capacidad medida en amperio-horas da una idea bastante buena de cuánto tiempo durará una celda dada a un consumo de corriente específico, en condiciones de operación típicas.

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