Pila alcalina

De Viquipèdia
Salta a la navegació Salta a la cerca
Pila alcalina
Alkali battery 5.jpg
Piles alcalines
Energia/Pes (Wh/Kg) 40-60 Wh/kg
Energia/mida (Wh/L) 50-150 Wh/L
Potència/Pes (W/Kg) 150W/kg
Energia/Preu-consumidor (US$/Wh) ? US$ per Wh
Autodescàrrega (%mensual) <0.3%/mes
Voltatge nominal d'una cel·la 1.5 V
Modifica les dades a Wikidata

Les piles alcalines o bateries alcalines (una bateria és un conjunt de diverses cel·les electroquímiques individuals) són un tipus de piles elèctriques d'un sol ús o bateries recarregables que obtenen la seva energia de la reacció química entre el zinc i el diòxid de manganès (Zn/MnO2), emprant hidròxid de potassi com electròlit..[1] Es solen marcar a l'envàs amb una "L".[2]

Les piles i bateries alcalines utilitzen hidròxid de potassi com a electròlit, en lloc de clorur (clorur d'amoni o clorur de zinc) de les piles salines (o piles de zinc-carboni) que ofereixen el mateix voltatge nominal i la mateixa grandària física. Altres sistemes de piles i bateries també utilitzen electròlits alcalins, però emplean diferents materials actius en els elèctrodes.

En comparació de les piles salines (les de zinc-carboni, de Leclanché o les posteriors de clorur de zinc), encara que totes produeixen aproximadament 1,5 volts per cel·la o cèl·lula, les piles alcalines tenen una densitat d'energia major i una vida útil més llarga.

En comparació de les piles d'òxid de plata, contra les quals habitualment competeixen les alcalines en el format de botó, tenen menor densitat d'energia i menor durada, però també més baix cost.

Processos electroquímics dins la pila[modifica]

Esquema d'una pila alcalina.

En una pila alcalina, l'ànode (pol negatiu) està fet de pols de zinc (que permet una major superfície per augmentar la velocitat de la reacció i per tant augmentar el flux d'electrons) i el càtode (pol positiu) es compon de diòxid de manganès. Les piles alcalines són comparables a les piles de zinc-carboni, però la diferència és que les piles alcalines usen hidròxid de potassi, (KOH), com a electròlit en comptes de clorur d'amoni o clorur de zinc, en les piles salines.

De manera simplificada, les semireaccions són:[3][4]

Oxidació: Zn (s)+2OH - (aq) → ZnO (s)+H 2 O (l)+2e -
Reducció: 2MnO 2 (s)+H 2 O (l)+2e - → Mn 2 O 3 (s)+2OH - (aq)

Mecanismes de les reaccions durant la descàrrega de la pila[modifica]

El procés redox que produeix el corrent d'electrons de l'ànode al càtode és l'oxidació del zinc i la reducció del diòxid de manganès, amb la migració d'ions hidròxid de l'electròlit (des del càtode a l'ànode) per mantenir la pila sense que pateixi polarització. Aquestes reaccions són complexes i transcorren en diverses etapes pel que convé detallar-les.

Reaccions a l'ànode (oxidació)[modifica]

Durant la descàrrega, el zinc metàl·lic (Zn) s'oxida en l'ànode, alliberant dos electrons mentre passa de nombre d'oxidació 0 a +II. El producte de reacció depèn de les condicions en què té lloc l'oxidació. Si la concentració d'OH - és alta, es forma l'ió tetrahidroxizincat (II), Zn (OH) 4 2 - ). Posteriorment, es descompon formant òxid de zinc sòlid.

Quan l'electròlit es satura de zinkato, es descompon en òxid de zinc (ZnO).

Si la concentració d'OH - és menor, es forma hidròxid de zinc, (Zn (OH) 2 ) que també es descompon donant (ZnO).

Reaccions al càtode (reducció)[modifica]

Com a material per al càtode, s'empra diòxid de manganès electrolític (γ-MnO 2 o pirolusita) amb activitat electroquímica alta. Durant la descàrrega el diòxid de manganès, MnO 2 , es redueix en el càtode, en una primera etapa a hidroxiòxid de manganès (III), MnO (OH), és a dir el manganès ha patit una disminució del seu número d'oxidació, d'IV+a III+.

Aquesta reacció és inusual, ja que el producte obtingut, hidroxiòxid, α-MnO(OH) (Groutita) té la mateixa estructura cristal·lina que el material de partida γ-MnO2.[5]

Sota certes condicions, en les descàrregues petites l'hidroxiòxid de manganès (III), MnO(OH), es reduirà encara més en una segona reacció lenta.

Aquesta reacció és una reacció heterogènia, la reducció real es porta a terme en solució. El Mn3+ s'uneix a ions hidròxid OH- per formar el complex [Mn (OH)4]- en la dissolució, que es redueix a [Mn (OH)4]2-. El veritable producte sòlid, Mn (OH)2, es forma després a la dissolució saturada de [Mn (OH)4]2-.

Reacció redox[modifica]

Es té en compte només la reacció que es dóna en primer lloc, el resultat de la reacció global en una pila alcalina és:

Com es desprèn de l'equació anterior per a la reacció global, durant la descàrrega es consumeix aigua de manera que el funcionament d'una pila alcalina de manganès fa que realment sigui una pila "seca".

Reaccions secundàries[modifica]

El zinc és termodinàmicament inestable en solució fortament alcalina. Hi ha evidència d'una reacció secundària en l'ànode de zinc (Zn) en la qual aquest s'oxida mentre es redueix l'aigua (H2O) per formar hidrogen gasós (H2).

Aquesta reacció que es descriu es produeix durant l'emmagatzematge de les piles no esgotades. La velocitat de reacció és relativament baixa per al zinc d'alta puresa. Fins i tot petites quantitats de contaminants (per exemple, metalls pesants com el ferro, coure, molibdè i níquel) poden augmentar de manera espectacular, però, la formació de gas .

Corbes de descàrrega d'una pila alcalina de manganès (línia blava), en comparació amb una pila de zinc-carboni (marró), i una pila de níquel i hidrur metàl·lic (verd). A l'eix vertical es representa el voltatge, i en l'eix horitzontal el temps de funcionament (NiMH).

Capacitat[modifica]

La capacitat d'una pila alcalina és major que la d'una pila Leclanché o una pila de clorur de zinc d'igual grandària, perquè el material de l'ànode és diòxid de manganès més pur i més dens, i l'espai ocupat pels components interns, tals com els col·lectors de corrent és menor. Una pila alcalina pot proporcionar entre tres i cinc vegades més temps de funcionament.[6]

La capacitat d'una pila o bateria alcalina és fortament depenent de la càrrega o potència consumida pel dispositiu al que es connecta. Una pila alcalina de grandària AA podria tenir una capacitat real de 3000 mAh a baixa potència, però amb una càrrega de 1000 mW, que és comuna per a les càmeres digitals, la capacitat podria ser de tan sols 700 mAh.[7] La tensió de la bateria disminueix de manera constant durant l'ús, per la qual cosa la capacitat total utilitzable depèn de la tensió de cort de l'aplicació. A diferència de les piles Leclanché, la pila alcalina proporciona gairebé igual capacitat per a ús intermitent o continu amb càrregues lleugeres. Amb una càrrega pesada, es redueix la capacitat de descàrrega contínua, en comparació d'una descàrrega intermitent, però la reducció és menor que per a les piles Leclanché.

Tensió[modifica]

La tensió nominal d'una pila alcalina és d'1,5 V. Múltiples d'aquesta tensió poden aconseguir-se amb diverses cèl·lules connectades en sèrie. La diferència de potencial o tensió per a una càrrega nul·la en una pila alcalina no descarregada varia des d'1,50 fins a 1,65 V, depenent aquest rang del diòxid de manganès triat i el contingut d'òxid de zinc en l'electròlit. La tensió mitjana, amb càrrega, depèn de la descàrrega i varia des d'1,1 a 1,3 V. Una pila totalment descarregada té un voltatge romanent en el rang de 0,8 a 1,0 V.

La tensió d'una pila alcalina disminueix gradualment durant la descàrrega, però menys que les piles de carboni-zinc. També posseeixen un rang de temperatures de funcionament més elevat, podent estar operatives a -30 °C[8]

Corrent elèctric[modifica]

La quantitat de corrent que una pila o bateria alcalina pot produir és aproximadament proporcional a la seva grandària física. Això és un resultat de la disminució de la resistència interna perquè augmenta la superfície interna de la cèl·lula. Una regla general és que una bateria alcalina AA pot lliurar 700 dt. sense un escalfament significatiu. Les piles més grans, com els tipus C i D, poden lliurar més corrent. Les aplicacions que requereixen corrents elevats de diversos amperes, tals com les llanternes d'alta potència i equips de música portàtils, requeriran piles de grandària D per respondre davant l'augment de la càrrega.

Construcció[modifica]

Obertura d'una pila alcalina de manganès grandària AA per mostrar els seus elements.

Les piles alcalines són fabricades en formes cilíndriques estàndard intercanviables amb les bateries de zinc-carboni, així com diferents grandàries de piles-botó. Diverses piles individuals poden ser interconnectats en sèrie per formar una veritable "bateria", com les de 4,5 V., que es venen per al seu ús amb llanternes i bateries de 9 volts per al transistor de ràdio.[9]

Una pila cilíndrica està continguda en un contenidor d'acer laminat, que és el col·lector catòdic de corrent. La mescla del càtode és una pasta comprimida de diòxid de manganès amb pols de carboni afegit per a una major conductivitat. La pasta pot ser pressionada en el contenidor o dipositada en anells pre-modelats. El centre del càtode buit està revestit amb un separador, que impedeix la mescla dels materials de l'ànode i càtode i evita el curtcircuit de la pila. El separador entre ànode i càtode és d'una capa no-teixida (paper) de cel·lulosa o d'un polímer sintètic.[10] El separador deu permetre el pas dels ions i romandre estable en la dissolució d'electròlit altament alcalina. L'ànode està compost d'una dispersió de pols de zinc en un gel que conté l'electròlit hidròxid de potassi. Per evitar la gasificació de la cel·la al final de la seva vida, es fa servir més diòxid de manganès del necessari perquè reaccioni amb tot el zinc.

Secció longitudinal d'una bateria alcalina de manganès de 9V, sis cel·les connectades en sèrie.

En descriure les piles estàndard de grandària AAA, AA, C, sub-C i D, l'ànode negatiu (-) està connectat a la part plana (inferior), mentre que el càtode positiu (+) està connectat al botó metàl·lic elevat (superior).

Recarrega dels acumuladors o bateries alcalines[modifica]

Algunes piles alcalines estan dissenyades per ser recarregades, però la majoria no ho són. Els intents de recarrega d'una pila que no està preparada per a aquesta fi pot causar la seva ruptura, o la filtració de líquids perillosos, que corroeixen els equips.

Fuites[modifica]

Pila alcalina amb fugida d'electròlit.

Amb el temps, les piles alcalines són propenses a presentar fugides d'hidròxid de potassi, un agent càustic que poden causar irritació de les vies respiratòries, els ulls i la pell.[11] Això es pot evitar al no intentar recarregar piles alcalines d'un sol ús, no barrejar diferents tipus de piles en el mateix dispositiu, substituint totes les bateries al mateix temps, emmagatzemant-les en un lloc sec, i eliminant les bateries i piles esgotades en dispositius de recollida selectiva de residus.

Una vegada que s'ha format una fuita a a causa de la corrosió del dipòsit exterior d'acer, l'hidròxid de potassi forma una estructura cristal·lina de plomes que creix des de la bateria i s'estén amb el temps, des dels elèctrodes de metall fins a les plaques de circuit del dispositiu on comença l'oxidació de traces de coure i altres components, que provocarà danys permanents en aquests circuits.

Els creixements cristal·lins després de la fugida d'electròlit també poden sorgir de les unions al voltant de la coberta de la pila on forma una capa peluda fos del dispositiu, que després danyarà els objectes que entrin en contacte amb la substància escapolida, com per exemple, el vernís dels prestatges de fusta, i posteriorment l'oxidació i envelliment de la pròpia fusta.

Eliminació[modifica]

Quan es van introduir en la dècada de 1960, les piles alcalines contenien una petita quantitat d'amalgama de mercuri per al control de les reaccions secundàries en el càtode de zinc. Millores en la puresa i la consistència dels materials han permès als fabricants poder reduir el contingut de mercuri en les cèl·lules modernes. En 1997, un 66% de les piles alcalines mancaven de mercuri afegit; en 2004 aquest percentatge era del 94%. No obstant, segons un estudi del Lowell Center for Sustainable Development, publicat en 2004, les piles alcalines de botó contenien 10,8 mg de Hg, més que les piles de zinc, i d'òxid de plata. A diferència d'altres tipus de piles, les piles i bateries alcalines poden ser eliminades com a residus domèstics regulars en algunes localitats. Això, no obstant això, és perjudicial per al medi ambient. Per exemple, l'estat de Califòrnia ha considerat totes les piles com a residus perillosos quan es rebutgen, i ha prohibit l'eliminació de les piles amb la resta de les escombraries domèstiques. En els EUA, una companyia tritura i separa els metalls de la bateria, manganès i zinc. Una altra companyia barreja les piles com a matèria primera en els forns de fabricació d'acer, per fer acer de baix grau, tals com a barres d'acer; els fums de zinc es recuperen per separat. A Europa, l'eliminació de les piles i bateries està controlada per la Directiva 2006/66/CE, i, com a tal, les piles alcalines no han de ser tirades en les escombraries domèstiques. Haurien de ser eliminades a través d'estacions de reciclatge local/abocadors de residus. Molts establiments que venguin piles en la UE (com en els supermercats) estan obligats per llei a acceptar bateries i piles velles per al seu reciclatge. Dipositant-les en els llocs autoritzats per a la seva deixalla.[12][13][14][15][16][1][2]

Vegeu també[modifica]

Referències[modifica]

  1. Electrotecnia. Curso elemental. Heinrich Hübscher. Editorial Reverté, 1991. ISBN 8429134298. Pág. 203
  2. http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/sacaleE_M2/Volta/PilaLimonCuZn.htm
  3. Manual pràctic d'electricitat per a enginyers. Donald G. Fink. Editorial Reverté, 1981. ISBN 8429130268, Pág.157
  4. Battery FAQ at www.powerstream.com
  5. Química: la ciencia central. Theodore L. Brown, Bruce E. Bursten, Julia R. Burdge. Pearson Educación, 2004. ISBN 9702604680, Pág. 807
  6. Reddy, page 10.14
  7. Alkaline Drain Chart at greenbatteries.com
  8. Electricidad: principios y aplicaciones. Richard J. Fowler. Editorial Reverté, 1994. ISBN 8429130284. Pág. 67
  9. Reedy, pag. 10.6 - 10.12,
  10. Principios de electrotecnia. Adolf Senner. Editorial Reverté, 1994. ISBN 8429134484, Pág. 76
  11. Esta sustancia alcalina ataca sobre todo alaluminio, un material habitual en las linternas, que puede por tanto resultar dañado con lafuga de una pila alcalina.
  12. David Linden, Thomas B. Reddy (ed). Handbook Of Batteries 3rd Edition. McGraw-Hill, New York, 2002 ISBN 0-07-135978-8 page 10.2
  13. La situación del mundo 2006: informe anual del Worldwatch Institute sobre progreso hacia una sociedad sostenible. Linda Starke. Icaria Editorial, 2006. ISBN 8474268419, Pág. 405
  14. Battery Recycling and Disposal Guide at ehso.com
  15. Household battery fact sheet at dec.ny.gov
  16. CA Integrated Waste Management Board

Enllaços externs[modifica]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Pila alcalina Modifica l'enllaç a Wikidata