dilluns, 30 de juny de 2008

Fonament químic del funcionament de les piles (II)

En aquest post intentaré explicar el fonament químic del funcionament de les piles reconegudes com a recarregables des d'un punt de vista simplificat considerant la gran complexitat del tema que tracte d'abordar.

Hi ha quatre tipus fonamentals de piles recarregables:
- Liti-ió
- Níquel-Metal Hidrur
- Níquel-Cadmi
- Plom

Aquestes piles són conegudes per la seua capacitat de ser recarregades quan arriba el final de la seua vida útil, i estan popularitzant-se molt ràpidament degut als rendiments que oferixen i les millors qualitats per a abastir d'energia elèctrica els nostres dispositius. Cal reconéixer que existeixen inconvenients, com per exemple el seu elevat preu inicial o la toxicitat dels elements que s'utilitzen en la seua fabricació, que sovint comprén metalls pesants i altres substàncies que provoquen alts perjudicis al medi ambient en cas de lliurar-se al medi.

Començaré parlant dels acumuladors de plom, que coneixem i usem quotidianament en els nostres automòbils i en els sistemes d'emmagatzematge d'energia a les plantes solars o eòliques. Aquests acumuladors es composen de dos electrodes de plom, i un electròlit, que en el nostre cas es composa d'àcid sulfúric amb una densitat 1,28 g/mL.

En l'ànode el plom metàl·lic s'oxida a Pb(II) segons la reacció:
Pb (s) + HSO4- (aq) + H2O (l) ↔ PbSO4 (aq) + H3O+ (aq) + 2 e-

En el càtode el Plom(IV) en forma d'òxid de plom (IV) es redueix a Pb(II) segons la reacció:
PbO2 (s) + HSO4- (aq) + 3 H3O+ (aq) + 2 e- ↔ PbSO4 (aq) + 5 H2O (l)

Quan se li subministra corrent a la bateria de plom, els dos equilibris citats es desplacen cap a l'esquerra, depositant el plom metàl·lic a l'ànode i òxid de plom(IV) al càtode, permetent, per tant un altre ús.
Aquest tipus d'acumuladors són comuns als automòbils, ja que poden proporcionar corrents enormes per períodes de temps mitjans, i a més són recarregables. El seu principal inconvenient és el pes, ja que la densitat del plom és de 11.340 g/mL.

Continuarem parlant de les piles de Níquel, en les seues dos variants: Níquel-Metal Hidrur i Níquel-Cadmi.

Les bateries de Níquel-Cadmi van ser les primeres bateries recarregables comunes per a l'ús civil. Tenen un potencial de 1.2 volts, però són generalment intercanviables amb les piles no recarregables en la majoria de les aplicacions domèstiques. Un dels majors inconvenients d'aquest tipus de piles és la toxicitat del Cadmi, un metall pesant altament contaminant en cas d'alliberament al medi, així com l'alt preu de manufactura d'aquest tipus de bateries. Un altre inconvenient és el seu "efecte memòria", que és una reducció del voltatge de la bateria quan es recarrega sense haver-se descarregat completament. Aquesta fase és transitòria i recuperable, i és un dels grans mites sobre les bateries. Cal indicar, però, que es tracta d'un dels millors acumuladors en termes tècnics, ja que no sofreix si se'l descarrega completament, i tolera un gran nombre de recàrregues sense deteriorar-se.

Les piles de Níquel-Metal Hidrur, en canvi, no sofreixen l'anomenat "efecte memòria", i per això s'han usat amb més extensió que les de Níquel-Cadmi, ja que tenen un impacte ambiental menor que les altres variants i el seu preu de fabricació és menor. Tenen una resistència interna menor, factor que possibilita l'extracció d'altes corrents sense pèrdues per efecte Joule en la pila. Cal esmentar també que el seu voltatge permaneix pràcticament constant sobre els 1.2 volts durant tot el cicle de descàrrega, característica que resulta altament favorable en dispositius que són sensibles a aquestes variacions.

Per concloure parlaré de les bateries de Liti-Ió, les més comuns hui en dia, amb aplicacions com alimentar telèfons mòbils, càmeres digitals i reproductors de música entre altres. Aquest tipus de bateria té prou avantatges, com el de poder adaptar el tamany de la bateria al lloc que deu ocupar definitivament, ser més lleugeres en comparació amb altres tipus de bateries recarregables, i no sofrir l' "efecte memòria", fet que fa que puguen ser recarregades en qualsevol estat de càrrega inicial. El major inconvenient és la seua vida útil, que és més curta que en els altres casos, així com el seu preu i dificultat en la manufactura, encara que s'està investigant en aquest camp per tal de millorar els rendiments i la vida útil d'aquest tipus d'acumuladors.

2 comentaris:

Unknown ha dit...

exina q es el plom barrejat en altra cosa el q va de costat a costat... jo tenia entés q els àtoms de plom es separaven al donar energia y es juntaven al carregar amb la corrent elèctrica. Concepte eroni pel q es veu...

Axel ha dit...

Efectivament, són les reaccions sobre els compostos de plom les que subministren la diferència de potencial entre els terminals de les bateries dels automòbils.

L'únic tipus de reaccions on se separen els àtoms que hi intervenen són les reaccions nuclears, ja siga la fusió o la fissió, on els àtoms es trenquen en altres més menuts o s'hi uneixen amb altres per a formar altres més pesants, amb el despreniment d'energia associat a la pèrdua de massa pròpia d'aquestes reaccions. Aquest concepte l'explicaré en un post amb més deteniment en dies pròxims.