Por S. Hussain Ather | Actualizado el 30 de agosto de 2022
Encontrar una batería agotada es frustrante, especialmente cuando deja de funcionar el dispositivo. Comprender la química que provoca el agotamiento de la batería puede ayudarle a anticipar fallas, elegir el tipo de batería correcto y extender la vida útil de sus dispositivos.
Las baterías son celdas galvánicas que convierten la energía química en energía eléctrica mediante una reacción redox espontánea. En una celda primaria típica, dos metales diferentes sirven como electrodos:el cátodo (a menudo un catión metálico como el cobre) donde se produce la reducción, y el ánodo (a menudo un anión metálico como el zinc) donde tiene lugar la oxidación. El electrolito, un líquido o gel que contiene iones, facilita la transferencia de carga entre los electrodos.
Las baterías primarias se agotan cuando el electrolito se seca o cuando los reactivos clave, como el dióxido de manganeso en las pilas alcalinas, se consumen por completo. En ese momento, ya no pueden fluir más electrones y la batería se considera descargada.
Recuerde el mnemotécnico OILRIG (La oxidación es pérdida, la reducción es ganancia) para mantener la dirección del flujo de electrones clara en su mente. Para los nombres de los electrodos, piense en ANodo → OXidación, REDUCCIÓN → CAThode .
Las baterías domésticas de bajo costo suelen utilizar productos químicos de carbono y zinc. Su diseño permite una corrosión galvánica leve que aún puede generar electricidad en un circuito cerrado, razón por la cual pueden alimentar dispositivos simples durante años.
Las pilas recargables de iones de litio pueden sufrir reacciones exotérmicas cuando se dañan o se sobrecargan. La temperatura interna puede subir a alrededor de 1000 °C, lo que provoca que los colectores de corriente de cobre se derritan y la celda se rompa, un evento comúnmente conocido como fuga térmica.
En 1836, el químico británico John Frederic Daniell introdujo la célula Daniell. , un diseño de electrolito dual que mejoró la longevidad con respecto a las celdas voltaicas anteriores. Esta innovación allanó el camino para la telegrafía y la electrometalurgia.
Las celdas secundarias almacenan carga invirtiendo la reacción redox durante la carga. Los materiales clave incluyen sustancias químicas de hidróxido de níquel o iones de litio. Durante ciclos repetidos, los materiales de los electrodos pueden degradarse, el electrolito puede secarse y la capacidad de la celda disminuye, lo que eventualmente agota la batería.
Desde arrancadores de automóviles y sillas de ruedas eléctricas hasta herramientas eléctricas y almacenamiento a escala de red, las celdas recargables son parte integral de la vida moderna. Los ingenieros perfeccionan continuamente las sustancias químicas para equilibrar la densidad de energía, el ciclo de vida y la seguridad.
La energía química almacenada en una batería se libera cuando los electrones fluyen a través de un circuito externo. La fuerza impulsora es la diferencia en energía libre de Gibbs (ΔG) entre reactivos y productos. En una celda galvánica, el potencial de celda estándar (E°) se relaciona con ΔG° a través de:
E° =-ΔG° / (nF)
donde n es el número de electrones transferidos y F (96485,33Cmol⁻¹) es la constante de Faraday. Para una celda Daniell, ΔG° ≈ -213kJmol⁻¹, lo que produce un voltaje nominal de 1,10 V.
Separar la reacción global en medias reacciones. Por ejemplo, usando CuSO₄ y ZnSO₄:
Cu²⁺ + 2e⁻ ⇌ Cu E° = +0.34 V Zn²⁺ + 2e⁻ ⇌ Zn E° = -0.76 VAl invertir la media reacción del zinc, el potencial total de la celda se convierte en +0,34 V - (-0,76 V) =1,10 V.
La duración de la batería depende de la química, los patrones de uso y las condiciones de funcionamiento. Comprender la ciencia subyacente permite un mejor diseño del dispositivo, hábitos de uso más inteligentes y un manejo más seguro de la batería.
