Pilas

Introducción

Una pila eléctrica convierte energía química en energía eléctrica por un proceso de transformación química. Está basado en un proceso reversible llamado reducción-oxidación o redox en el cual uno de los componentes pierde electrones y el otro gana electrones. Las baterías desechables tienen dos terminales, uno negativo en donde existe una gran cantidad de electrones y una positiva en donde hay  una ausencia de electrones. Cada una de estas terminales está hecha de algún metal. Por ejemplo, de zinc-carbón, la terminal de zinc tiene una carga negativa y atrae a los electrones y la terminal de carbón es la positiva. Si la batería alimenta un circuito, hará que una corriente de electrones se mueva de la terminal negativa hacia la positiva y así produciendo una corriente eléctrica y una reacción química. Debido a esta reacción química, el zinc se oxida y por eso estas pilas tienen una vida limitada. La pila recargable hace una reacción química que permite que se la corriente eléctrica se vuelva a transformar en energía otra vez. En otras palabras los componentes no se consumen ni se pierden solo cambian su estado de oxidación y pueden regresar a su estado original, aun que cada vez que la vuelves a cargar la pila durará menos tiempo. Si se gastan pero se pueden utilizar más de una vez.

Las pilas se pueden dividir en dos grupos, las pilas primarias o pilas secundarias. Una pila primaria es la que logra producir energía por medio del consumo de algún químico que contenga. Cuando este químico se acaba, la pila ya no sirve y debe de ser reemplazada. Las pilas secundarias producen energía transformando un químico que contenga a otro químico. Cuando transforma el químico a otro químico por completo la pila ya no funciona pero puede ser recargada, en donde manda una corriente eléctrica a otra fuente a través de ella para así poder volver a los químicos a su estado original.

Tipos de Pilas

Pilas Primarias:

·         Pilas Salinas, Tipo Leclanché o de zinc/carbono

En esta pila el electrodo positivo es de carbón y el negativo de zinc. El electrolito es un producto químico llamado cloruro de amonio que también se llama sal de amoniaco. El electrodo de la pila es la forma del recipiente y contiene la totalidad de la pila. El elemento positivo tiene la forma de una varilla de carbón y se encuentra en el centro de la pila. El electrolito está mezclado con almidón o con harina formando una pasta. La pila seca realmente no es seca, pero cuando el electrolito se seca la pila deja de funcionar. Estas pilas son las de uso común para aparatos sencillos y de poco consumo y son relativamente poco peligrosas para el medio ambiente. Estas pilas son las más económicas que hay en el mercado.

·         Pilas alcalinas o de dióxido de zinc-magnesio

Estas pilas son las A, AA, AAA que se encuentran en el mercado que son utilizadas para linternas, juguetes, walkmans, etc.  El electrolito es hidróxido de potasio que hace que la pila dure seis veces más que la pila de zinc-carbono. Son de larga duración, pueden durar entre 3 y 10 veces más que las pilas salinas. Son pilas toxicas porque contienen 0.025% de mercurio.

·         Pilas de mercurio con oxido-zinc

Estas son pilas utilizadas en equipos especiales como las cámaras fotográficas o relojes y son de formato botón. La pila consiste en un electrodo negativo de zinc y un electrodo positivo de oxido de mercurio y grafito contenidos en un envase de acero. El electrolito es una solución de hidróxido de potasio y oxido de zinc.

·         Pilas de plata con oxido-zinc

Esta pila es tipo alcalina que puede soportar altas cargas y casi siempre da 1.5 volts. Es tipo botón que es usada para relojes y también en algunos torpedos de uso militar. Tiene un cátodo de oxido de plata y un ánodo de polvo de zinc. Es altamente toxica porque contiene 1% de mercurio.

·         Pilas de litio

Estas pilas se utilizan en la aeronáutica, para marcapasos y en cámaras automáticas.  Tienen una alta actividad química, producen tres veces más energía que las pilas alcalinas considerando tamaños equivalentes.

Pilas Secundarias:

·         Pilas de hidróxido níquel-cadmio

Son las pilas recargables utilizadas en teléfonos celulares, computadoras, cámaras, etc. Están basadas en un sistema formado de hidróxido de níquel, hidróxido de potasio, y cadmio metálico. Dan corrientes bastante altas, pueden ser rápidamente cargadas (de10 a 14 horas) hasta 500 veces, alcanzan durar decenas de años y son tolerantes al abuso de sobrecarga pero si tiene una auto-descarga por mes de 30%. Funcionan mejor si son dejadas a descargarse completamente antes de cargarse nuevamente, sino pueden empezar a durar menos su energía. Se comportan bien bajo temperaturas frías. Son altamente tóxicos ya que contienen dos minerales muy contaminantes; níquel y cadmio.

·         Pila de acido-plomo

Estas son las baterías que se utilizan en los automotores. Es la pila recargable más usada en el mundo ya que se pueden recargar hasta mil veces en un tiempo de 8 a 16 horas pero tiene una auto-descarga por mes de 5%. La pila de plomo-ácido tiene una densidad energética de 20 veces mayor que la de las pilas de níquel-cadmio o níquel-hierro. La mayoría son construidas de planchas de plomo o celdas, donde una de estas, el electrodo positivo, está cubierto con dióxido de plomo en una forma cristalina entre otros aditivos. El electrolito está compuesto de ácido sulfúrico, y este participa en las reacciones con los electrodos donde sulfato de plomo es formado y lleva corriente en forma de iones.

·         Pilas secundarias de litio

Este tipo de pila es utilizada en  productos electrónicos portátiles pero también están entrando a la industria automovilística, aeronáutica y militar. Su tecnología se basa en un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina u óxido de manganeso. Esta pila se puede recargar hasta 5000 veces y se tarda aproximadamente dos horas en recargarse. Se auto descarga por mes entre 25 a 10%.

·         Pilas secundarias de sodio-sulfuro

Esta tecnología que aun esta en investigación, funciona alrededor de 350°C. Aun se deben resolver bastantes problemas con respeto a su estabilidad, especialmente cuando se toma en cuenta que necesita ser enfriada y calentada entre usos. La batería tiene un electrolito sólido como membrana entre el catado y el ánodo. Tiene una configuración cilíndrica de altura y toda la célula está rodeada por una carcasa de acero que está protegido por cromo y molibdeno, de la corrosión en el interior. Este contenedor exterior sirve como electrodo positivo, mientras que el sodio líquido actúa como electrodo negativo. The container is sealed at the top with an airtight alumina lid. El envase es sellado en la parte superior con una tapa de aluminio. La célula se vuelve más económica con el aumento de tamaño. In commercial applications the cells are arranged in blocks for better conservation of heat and are encased in a vacuum-insulated box. Estas pilas son utilizadas para apoyar a la red eléctrica, aplicaciones espaciales y para el transporte y maquinaria pesada.

Daños al Medio Ambiente

Si calculamos la cantidad de pilas que cada habitante en el mundo usa en su vida, nos damos cuenta de la cantidad de mercurio que le estamos echando a la tierra. Lo que contamina el medio ambiente es cuando se descompone la capa protectora que recubre las pilas y se liberan los metales que contienen.
A la hora de analizar el nivel de contaminación de una pila, hay que tener en cuenta sus componentes -litio, cadmio, mercurio-, el tiempo de duración y los impactos ambientales que produce su fabricación. Se debe de analizar el ciclo de vida que implica pensar no solamente en el producto y el residuo que genera una vez utilizado, sino en todos los residuos que generó y la energía que consumió en su proceso de fabricación. Según estudios especializados, una pila de mercurio puede contaminar 600,000 litros de agua, una de zinc-aire12, 000 litros, una de óxido de plata 14,000 litros y una pila común 3,000 litros. Se dice que en las últimas cuatro décadas, 145,917 toneladas de manganeso utilizado en pilas alcalinas ha sido liberado al medio ambiente. En España los consumidores consumen aproximadamente 322 millones de pilas al ano. La fabricación de una pila consume 50 veces más energía que genera una pila. 

El mercurio puede provocar daños cerebrales. En los riñones y en la función motor del cuerpo humano. El níquel puede destruir los tejidos de las membranas nasales y el cadmio es un mineral cancerígeno y también causa trastornos en el aparto digestivo. Las personas embarazadas no deben de entrar en contacto con estos.