Batería

Antecedentes

El famoso experimento de Benjamin Franklin para atraer electricidad haciendo volar una cometa en una tormenta eléctrica fue solo uno de los muchos experimentos de finales del siglo XVIII y principios del XIX realizados para aprender sobre la electricidad. La primera batería fue construida en 1800 por el italiano Alessandro Volta. La llamada pila voltaica consistía en discos alternados de plata y zinc separados por cuero o cartón que se había empapado en agua salada, lejía o alguna solución alcalina. Se conectaron tiras de metal en cada extremo de la pila a pequeños vasos llenos de mercurio. Cuando Volta tocó ambas tazas de mercurio con los dedos, recibió una descarga eléctrica; cuantos más discos reunía, mayor era la sacudida que recibía.

El descubrimiento de Volta llevó a una mayor experimentación. En 1813, Sir Humphrey Davy construyó una pila con 2000 pares de discos en el sótano de la Royal Institution de Londres. Entre otras aplicaciones, Davy utilizó la electricidad que producía para la electrólisis, catalizando reacciones químicas al pasar una corriente a través de sustancias (Davy separó el sodio y el potasio de los compuestos). Solo unos años después, Michael Faraday descubrió el principio de inducción electromagnética, utilizando un imán para inducir electricidad en un cable enrollado. Esta técnica está en el corazón de las dínamos que se utilizan para producir electricidad en las centrales eléctricas de hoy. (Mientras que una dínamo produce corriente alterna (CA) en la que el flujo de electricidad cambia de dirección con regularidad, las baterías producen corriente continua (CC) que fluye en una sola dirección). Una celda de plomo-ácido capaz de producir una gran cantidad de corriente, el precursor del automóvil actual batería, fue ideado en 1859 por el francés Gaston Planté.

En los Estados Unidos, Thomas Edison estaba experimentando con electricidad de baterías y dínamos para alimentar la bombilla, que comenzó a extenderse en los Estados Unidos a principios de la década de 1880. Durante la década de 1860, Georges Leclanché inventó la celda húmeda, que, aunque pesada debido a sus componentes líquidos, podía venderse y usarse comercialmente. En las décadas de 1870 y 1880, la celda Leclanché se producía con materiales secos y se utilizaba para una serie de tareas, incluida la alimentación del teléfono de Alexander Graham Bell y la linterna recién inventada. Posteriormente se recurrió a las baterías para proporcionar energía a muchos otros inventos, como la radio, que se hizo enormemente popular en los años posteriores a la Primera Guerra Mundial. aproximadamente 27 baterías al año.

Diseño

Todas las baterías utilizan procedimientos similares para generar electricidad; sin embargo, las variaciones en los materiales y la construcción han producido diferentes tipos de baterías. Estrictamente hablando, lo que comúnmente se denomina batería es en realidad un grupo de celdas conectadas. La siguiente es una descripción simplificada de cómo funciona una batería.

Dos partes importantes de cualquier celda son el ánodo y el cátodo. El cátodo es un metal que se combina, de forma natural o en el laboratorio, con oxígeno; la combinación se denomina óxido . El óxido de hierro (óxido), aunque demasiado frágil para usar en una batería, es quizás el óxido más conocido. Algunos otros óxidos son en realidad lo suficientemente fuertes como para trabajarlos (cortarlos, doblarlos, darles forma, moldearlos, etc.) y usarlos en una celda. El ánodo es un metal que se oxidaría si se lo permitiera y, en igualdad de condiciones, es más probable que se oxide que el metal que forma parte del cátodo.

Una celda produce electricidad cuando un extremo de un cátodo y un extremo de un ánodo se colocan en una tercera sustancia que puede conducir electricidad, mientras que sus otros extremos están conectados. El ánodo atrae átomos de oxígeno hacia él, creando así un flujo eléctrico. Si hay un interruptor en el circuito (similar a cualquier interruptor de pared o lámpara), el circuito no está completo y la electricidad no puede fluir a menos que el interruptor esté en la posición cerrada. Si, además del interruptor, hay algo más en el circuito, como una bombilla, la bombilla se encenderá por la fricción de los electrones que se mueven a través de ella.

La tercera sustancia en la que se colocan el ánodo y el cátodo se llama electrolito . En muchos casos este material es una combinación química que tiene la propiedad de ser alcalino. Por tanto, una pila alcalina es aquella que hace uso de un electrolito alcalino. Una celda no producirá electricidad por sí misma a menos que se coloque en un circuito que se haya completado mediante un simple interruptor o por alguna otra conexión de conmutación en el aparato que usa la batería.

El diseño de una celda puede dar lugar a muchas variaciones de tipo y estructura. No todos los electrolitos, por ejemplo, son alcalinos. Además, el recipiente para el electrolito puede actuar como recipiente y como cátodo o ánodo. Algunas células extraen su oxígeno no de un cátodo sino directamente del aire. Los cambios en las composiciones del ánodo y el cátodo proporcionarán más o menos electricidad. El ajuste preciso de todos los materiales utilizados en una celda puede afectar la cantidad de electricidad que se puede producir, la tasa de producción, el voltaje al que se entrega la electricidad durante la vida útil de la celda y la capacidad de la celda para funcionar a diferentes temperaturas. .

Todas estas posibilidades existen, de hecho, y sus diversas aplicaciones han producido los diferentes tipos de baterías disponibles en la actualidad (litio, mercurio, etc.). Sin embargo, durante años, la celda más común ha sido la batería alcalina de 1,5 voltios.

Diferentes baterías funcionan mejor en diferentes circunstancias. La celda alcalina de 1,5 voltios es ideal para equipos fotográficos, computadoras de mano y calculadoras, juguetes, grabadoras y otros usos de "alto consumo"; también es bueno a bajas temperaturas. Esta celda tiene una característica de descarga inclinada (pierde energía gradualmente, en lugar de dejar de producir electricidad repentinamente) y perderá quizás el cuatro por ciento de su energía por año si no se usa en un estante.

Otros tipos de baterías incluyen una batería de litio / dióxido de manganeso, que tiene una característica de descarga plana (proporciona aproximadamente la misma cantidad de energía al comienzo de su vida útil que al final) y se puede usar donde se necesitan pequeños, Baterías de alta potencia (detectores de humo, cámaras, copias de seguridad de memoria en computadoras, etc.). Los audífonos, buscapersonas y algunos otros tipos de equipos médicos utilizan con frecuencia pilas tipo botón de zinc-aire, que proporcionan una alta densidad de energía en descarga continua. Una batería de mercurio se usa con frecuencia en muchas de las mismas aplicaciones que la batería de zinc-aire, porque también proporciona un voltaje de salida constante.

Materias primas

Esta sección, así como la siguiente, se centrarán en las pilas alcalinas. En una batería alcalina, el cilindro que contiene las celdas está hecho de acero niquelado. Está revestido con un separador que divide el cátodo del ánodo y está hecho de papel en capas o de un material sintético poroso. El bote está sellado en un extremo con un sellador de asfalto o epoxi que se encuentra debajo de una placa de acero, y en el otro extremo con un clavo de latón que atraviesa el cilindro. Este clavo se suelda a una tapa de metal y se pasa a través de un sello de plástico exterior. Dentro del cilindro, el cátodo consiste en una mezcla de dióxido de manganeso, grafito y una solución de hidróxido de potasio; el ánodo comprende polvo de zinc y un electrolito de hidróxido de potasio.

El
proceso de fabricación

El cátodo

• 1 En una batería alcalina, el cátodo en realidad funciona como parte del recipiente. Grandes cantidades de los ingredientes constituyentes:dióxido de manganeso, negro de humo (grafito) y un electrolito (hidróxido de potasio en solución). Mezclar los ingredientes constituyentes es el primer paso en la fabricación de baterías. Después de la granulación, la mezcla se prensa o compacta en preformas:cilindros huecos. El principio involucrado en la compactación es simple:un punzón de acero desciende a una cavidad y compacta la mezcla. A medida que se retrae, un golpe desde abajo se eleva para expulsar la preforma compactada. entregado por tren y mezclado en lotes muy grandes en el sitio de producción. A continuación, la mezcla se granula y se prensa o compacta en cilindros huecos denominados preformas . Dependiendo del tamaño de la batería que se fabrica, se pueden apilar varias preformas una encima de otra en una batería. Alternativamente, la serie de preformas se puede reemplazar por un anillo extruido del mismo material.
• 2 A continuación, se insertan las preformas en una lata de acero niquelado; la combinación de las preformas y el acero puede formar el cátodo de la batería. En una operación grande, las latas se fabrican en la fábrica de baterías utilizando técnicas estándar de corte y formación. Se hace una hendidura cerca de la parte superior de la lata y se coloca un sellador de asfalto o epoxi encima de la hendidura para proteger contra fugas.

El separador

• 3 Luego se inserta un separador de papel empapado en la solución de electrolito dentro de la lata contra las preformas; el separador está hecho de varios trozos de papel colocados en granos cruzados entre sí (como madera contrachapada). Mirando hacia abajo a una lata abierta, uno vería lo que parece un vaso de papel insertado en la lata. El separador evita que el material del cátodo entre en contacto con el material del ánodo. Como alternativa, un fabricante podría usar una fibra sintética porosa para el mismo propósito.

El ánodo

• 4 A continuación, el ánodo se coloca en la lata de la batería. Es un gel compuesto principalmente de polvo de zinc, junto con otros materiales, incluido un electrolito de hidróxido de potasio. Este gel tiene la consistencia de una pasta muy espesa. Más que una solución, es químicamente una suspensión, en la que las partículas no se depositan (aunque un filtro apropiado podría separarlas). El gel no llena la lata hasta el tope para dejar espacio para las reacciones químicas que ocurrirán una vez que se ponga en uso la batería.

Los sellos

• 5 Aunque la batería puede producir electricidad en este punto, una celda abierta no es práctica y agotaría su potencial rápidamente. La batería debe sellarse con tres componentes conectados. El primero, un "clavo" de latón o una punta larga, se inserta en el medio de la lata, a través del material de gel, y sirve como "colector de corriente". El segundo es un sello de plástico y el tercero una tapa de metal. La uña, que se extiende alrededor de dos tercios. El contenedor de una batería alcalina típica, que consiste en una preforma insertada en una lata de acero, también funciona como cátodo. El ánodo en el medio es un gel compuesto principalmente de polvo de zinc. El separador entre el ánodo y el cátodo es papel o fibra sintética empapada en una solución de electrolito.
  En la batería terminada, se han agregado un sello de plástico, un clavo de acero y una parte superior e inferior de metal. El clavo está soldado al fondo de metal y se extiende aproximadamente dos tercios del camino hacia la lata, a través del ánodo. del camino hacia la lata, se suelda a la tapa de metal y luego se pasa a través del sello de plástico.
• 6 Este sello es significativamente más delgado en algunos lugares que en otros, de modo que si se acumula demasiado gas en la lata, el sello se romperá en lugar de toda la batería. Algunos diseños de batería utilizan un orificio relleno de cera en el plástico; el exceso de gas empuja a través de la cera en lugar de romper la batería. El conjunto del sello se encuentra con la muesca hecha en la lata al comienzo del proceso y se engarza en su lugar.
• 7 El extremo opuesto de la lata (el extremo positivo de la batería) se cierra con una placa de acero que se suelda en su lugar o se pega con un cemento de tipo epoxi.

La etiqueta

• 8 Antes de que la batería salga de fábrica, se agrega una etiqueta que identifica el tipo de batería, su tamaño y otra información. La etiqueta suele ser papel que simplemente se pega a la batería. Un gran fabricante tiene el diseño de su etiqueta impreso en una envoltura plástica retráctil:una pieza suelta de plástico sensible al calor se envuelve alrededor de la lata de la batería y luego se expone a una ráfaga de calor que hace que el plástico se encoja para ajustarse firmemente alrededor de la lata.

Control de calidad

Debido a que la tecnología de baterías no es especialmente nueva o exótica, el control de calidad y sus resultados son especialmente importantes como base para la competencia de marcas. La capacidad de una batería para resistir la corrosión, funcionar bien en una variedad de condiciones, mantener una buena vida útil y de almacenamiento, y otros factores, son los resultados directos del control de calidad. Las baterías y los ingredientes se inspeccionan y prueban en casi todas las etapas del proceso de producción, y los lotes terminados se someten a pruebas rigurosas.

Problemas medioambientales

Aunque la fabricación de baterías presenta algunos obstáculos ambientales, ninguno es insuperable. El zinc y el manganeso, los principales productos químicos de las pilas alcalinas, no plantean dificultades medioambientales y la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) los considera seguros. El principal contaminante potencial de las baterías es el mercurio, que comúnmente acompaña al zinc y que durante muchos años se agregó a las baterías alcalinas para ayudar a la conductividad y prevenir la corrosión. A mediados de la década de 1980, las pilas alcalinas normalmente contenían entre un cinco y un siete por ciento de mercurio.

Cuando se hizo evidente hace varios años que el mercurio era un peligro para el medio ambiente, los fabricantes comenzaron a buscar formas de producir baterías eficientes sin él. El método principal para hacer esto se centra en un mejor control de la pureza de los ingredientes. Las pilas alcalinas actuales pueden contener aproximadamente un 0,025 por ciento de mercurio. Las baterías sin mercurio agregado en absoluto (es un elemento natural, por lo que sería difícil garantizar un producto libre de rastros uniformes) están disponibles en algunos fabricantes y serán la regla de toda la industria en lugar de la excepción al final. de 1993.

El futuro

Las baterías son actualmente el foco de una intensa investigación por parte de científicos e ingenieros de todo el mundo. La razón es simple:varias innovaciones clave dependen de la creación de mejores baterías. Los automóviles eléctricos viables y los dispositivos electrónicos portátiles que pueden funcionar durante largos períodos de tiempo sin necesidad de recargarse deben esperar hasta que se desarrollen baterías más ligeras y potentes. Las baterías típicas de plomo-ácido que se utilizan actualmente en los automóviles, por ejemplo, son demasiado voluminosas y no pueden almacenar suficiente electricidad para su uso en automóviles eléctricos. Las baterías de litio, aunque livianas y potentes, son propensas a gotear y prenderse fuego.

A principios de 1993, los científicos de la Universidad Estatal de Arizona anunciaron que habían diseñado una nueva clase de electrolitos disolviendo óxido de polipropileno y óxido de polietileno en una solución de sal de litio. Los nuevos electrolitos parecen ser altamente conductores y más estables que los electrolitos de litio típicos, y los investigadores ahora están tratando de construir prototipos de baterías que utilicen las sustancias prometedoras.

Mientras tanto, varios fabricantes están desarrollando baterías de hidruro metálico de níquel más grandes y potentes para su uso en computadoras portátiles. Se espera que estas nuevas baterías aparezcan a fines de 1994.