Toda pila tiene un electrodo positivo, uno negativo y el electrolito. Este último es el elemento de contacto que provee los iones que permiten la conducción entre los terminales.
La más común de estas pilas está compuesta por un ánodo de zinc pulverizado (electrodo positivo), un cátodo de carbono y dióxido de manganeso, (electrodo negativo) y el electrolito es de hidróxido de potasio, que es un metal alcalino, como se observa en la Fig. 4.2.
Envase de acero
Película plástica
Ánodo de zinc pulverizado Colector de latón
Cubierta interna de acero Sello de nylon
Cubierta negativa chapa de oro Remache de latón
Espolón metálico Arandela de metal Cátodo de dióxido de manganeso
Separador de tela Electrolito dióxido de potasio Cubierta positiva chapa de oro
Fig. 4.2. Pila primaria alcalina.
En el caso de las pilas primarias, su tamaño está en relación directa a su capacidad de corriente, cuanto más grande es, mayor su posibilidad de entrega de energía y mayor su duración. Esto se debe simplemente a que puede contener mayor cantidad de electrolito que es quién provee los iones. En la Fig. 4.3 se observan los distintos tipos de pilas y sus tamaños normalizados e identificados con letras.
Las pilas de litio-ión son de nueva tecnología y utilizan iones de litio. El esquema de su construcción se aprecia en la Fig. 4.4.
Dentro de las cualidades favorables de este tipo de pilas se pueden destacar: muy buena relación peso/potencia, alta densidad de potencia, ciclo de vida extendido (más de 500 recargas), baja autodescarga (un 6% al mes), no tiene efecto memoria, alta tensión de trabajo (3,6 V), tensión de descarga gradual y constante.
Fig. 4.3. Distintos tipos de tamaños de pilas. Fig. 4.4. Pila de litio-ión.
De los pocos inconvenientes que presentan se puede destacar el efecto de pasivación,
entendiéndose como tal la formación de una película de cloruro de litio (ClLi) en la superficie del ánodo. Esta película, que presenta una resistencia, retrasa la autodescarga cuando la pila no es usada, lo cual sería una ventaja, pero también se transforma en una resistencia en serie que hace que al utilizar la pila nuevamente, la tensión efectiva que entrega sea menor que la nominal, pudiendo afectar el funcionamiento del equipo que está alimentando.
Conforme la pila se comienza a utilizar esta fina película va desapareciendo y, cuando la volvemos a dejar de usar, nuevamente empieza a formarse la misma.
Este fenómeno depende del diseño y construcción de la pila, el tiempo que se tarde en usarla, la temperatura de almacenamiento (directamente proporcional), las temperaturas de uso
(inversamente proporcional), los ciclos repetidos de pequeñas descargas, etc.
Pila Secundaria de Plomo-Ácido
En este tipo de pilas, los electrodos están construidos de plomo esponjoso y peróxido de plomo, el electrolito es ácido sulfúrico. La Fig. 4.5 muestra el corte de este tipo de pilas, más
42 Introducción a los Circuitos Eléctricos 1
comúnmente denominadas baterías, ya que normalmente no se las utiliza en forma individual sino como varias pilas asociadas.
El funcionamiento es como sigue: al cerrar el circuito de la batería con una carga (lámpara, resistor, etc.), existe una transferencia de electrones del electrodo de plomo esponjoso hacía el electrodo de peróxido de plomo a través de la carga. El flujo de electrones se mantendrá hasta la descarga de la batería. La duración está en función de dos parámetros: la dilución del ácido y el espesor del recubrimiento de sulfato de plomo en los electrodos.
Fig. 4.5. Esquema de una batería plomo-ácido.
El estado de descarga de una batería de plomo se determina midiendo la densidad relativa del electrolito con un hidrómetro. Esta densidad se la define como la razón entre el peso de un volumen determinado de la sustancia sobre el peso de un volumen igual de agua a 4°C. Para baterías completamente cargadas el valor de la densidad relativa está entre los 1,210 y 1,300, al descender a 1,100, se deberá recargar.
Al realizarse la recarga, la corriente que circula en sentido inverso al funcionamiento normal, elimina el sulfato de plomo de las placas y restablece la concentración de ácido sulfúrico. La recarga se debe realizar con una fuente de tensión constante, donde la corriente irá tomando los valores de acuerdo al estado de la batería.
Las baterías comerciales para automóviles están compuestas por seis celdas en serie, donde cada una aporta 2,1 V, dando en conjunto los 12,6 V.
A contininuación, vemos las reacciones químicas que se producen en el proceso de carga y en el de descarga:
Carga
Polo negativo: PbSO4 2electronesoPbSO42
Polo positivo: PbSO4 2electrones2H2OoPbO2 SO424H
Descarga
Polo negativo: 2
4 4
Pb 2 electrones SO oPbSO
Polo positivo: PbO SO H electrones PbSO H O
2 4 2 4 2 4 2 o 2
En la Fig. 4.6 se observa, en forma esquemática, el estado de las placas antes y luego de realizada la carga.
4
PbSO
4
PbSO PbO2 Pb
Ácido sulfúrico diluido
+ _ Cargada Descargada Fig. 4.6. Reacciones en la carga y descarga.
Los nuevos diseños de baterías comerciales reemplazaron las rejillas de plomo-antimonio por las de plomo-calcio, logrando de esta forma las denominadas libres de mantenimiento, como la mostrada en la Fig. 4.7. Estas baterías disminuyen los gases creados durante la descarga, reduciendo la evaporación del agua y minimizando la corrosión.
Fig. 4.7. Batería de libre mantenimiento.
44 Introducción a los Circuitos Eléctricos 1