¿Qué tipos de pilas existen?

1. Pilas primarias: De un solo uso, no reutilizables.

Pilas de carbono-zinc, pilas alcalinas, pilas de zinc-manganeso de tipo pasta, pilas de zinc-manganeso de cartón, pilas alcalinas de zinc-manganeso, pilas de botón (pilas de botón de zinc-plata, pilas de botón de litio-manganeso, pilas de botón de zinc-manganeso), pilas de zinc-aire, pilas primarias de litio-manganeso, etc., pilas de mercurio.

Existen dos tipos de pilas basados en la capa de aislamiento: las pilas de tipo pasta y las de tipo placa. Las de tipo placa se dividen a su vez en pilas de cartón de tipo C (tipo amonio) y de tipo P (tipo zinc) en función de los distintos electrolitos.

La pila seca tradicional de zinc-manganeso de tipo pasta utiliza dióxido de manganeso natural de baja actividad como material del electrodo positivo, con almidón y harina como capa de aislamiento de la pasta, y un electrolito compuesto principalmente de cloruro de amonio (H4CL) y solución acuosa de cloruro de zinc. El electrodo negativo es una lata de zinc. Su rendimiento de descarga es generalmente pobre, la capacidad es baja y la pila es propensa a las fugas hacia el final de su uso, pero es barata.

Las pilas de cartón tipo C (tipo amonio) sustituyen el papel de pasta por papel de pulpa. Esto aumenta la cantidad de relleno del electrodo positivo en unos 30%, y el manganeso de alta actividad sustituye al manganeso natural en 30-70%, por lo que se mejora la capacidad y se amplía el rango de uso. Se suelen utilizar en aplicaciones de descarga de pequeñas corrientes, como relojes, mandos a distancia, radios, linternas, etc.

Las pilas de cartón de tipo P (tipo zinc) utilizan un electrolito a base de cloruro de zinc, y el material del electrodo positivo es enteramente polvo de manganeso de alta actividad, como el manganeso electrolítico o el manganeso activo. Su rendimiento a prueba de fugas es muy superior al de las pilas de tipo pasta y tipo C, y se utilizan en aplicaciones de descarga continua de alta corriente, como en cámaras, flashes, grabadoras, afeitadoras, juguetes eléctricos, etc.

Las pilas alcalinas cilíndricas de zinc-manganeso, también conocidas como pilas alcalinas, son la variedad de mejor rendimiento de la serie de pilas de zinc-manganeso. Se desarrollaron a mediados del siglo XX como una mejora de las pilas de zinc-manganeso. La pila utiliza hidróxido de potasio (KOH) o solución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH) como electrolito, con una estructura de electrodo negativo opuesta a la de las pilas de zinc-manganeso. El electrodo negativo es una pasta gelatinosa, con clavos de cobre como colector de corriente. El electrodo positivo está en el exterior, con material activo y material conductor comprimidos en un anillo y conectados al armazón de la pila. Los electrodos positivo y negativo están separados por un separador especial.

El revestimiento exterior suele ser de fleje de acero niquelado 08F, laminado en frío y estampado, que también sirve como colector de corriente del electrodo positivo. El material electroquímico del electrodo positivo de dióxido de manganeso se presiona en forma de anillo firmemente contra la pared interior del cilindro para garantizar un buen contacto. El electrodo negativo utiliza partículas de zinc en polvo hechas pasta y está situado en el centro de la pila. Se inserta un colector de corriente del electrodo negativo (normalmente clavos de cobre), y el colector de corriente se conecta a la parte inferior del electrodo negativo. En la pila, los electrodos positivos están separados por una membrana (capa de separación), y la parte exterior se sella con un anillo de estanqueidad de nylon o polipropileno para conseguir la estanqueidad de la pila. El aspecto externo de la pila es casi el mismo que el de las pilas normales.

2. Baterías secundarias: Recargables y reutilizables.

Baterías alcalinas secundarias de zinc-manganeso, baterías recargables de níquel-cadmio (Ni-Cd), baterías recargables de níquel-hidruro metálico (Ni-MH), baterías recargables de litio, baterías de plomo-ácido, células solares. Los acumuladores de plomo-ácido se dividen en: acumuladores de plomo-ácido de tipo abierto y acumuladores de plomo-ácido totalmente sellados.

Pila de níquel-cadmio (Ni-Cd), pilas químicas (pilas secundarias).

Batería de níquel-hidruro metálico (Ni-MH).

Batería de iones de litio (Li-ion), baterías de litio.

Batería de plomo-ácido, baterías de plomo.

Otros.

Baterías de energía física.

Baterías de células solares.

Pilas microbianas.

Baterías de polímero.

Cada tipo de pila se compone de cuatro elementos básicos: dos electrodos de distinto material, un electrolito, un separador y una carcasa.

3. Pilas ecológicas y respetuosas con el medio ambiente

Se trata de una clase de baterías de alto rendimiento y no contaminantes que se han desarrollado y se utilizan actualmente o están en fase de desarrollo, como las baterías de almacenamiento de níquel de hidruro metálico, las baterías de almacenamiento de iones de litio que se utilizan actualmente, las baterías alcalinas primarias de zinc-manganeso sin mercurio que se están promocionando, así como las pilas de combustible, las células solares (células fotovoltaicas), etc.

4. Baterías de plomo-ácido

En 1859, el científico francés Plante descubrió la batería de plomo-ácido, que consta de cinco partes básicas: la placa positiva, la placa negativa, el electrolito, el separador y el contenedor (celda de la batería). La batería utiliza dióxido de plomo como material del electrodo positivo, plomo como material del electrodo negativo, ácido sulfúrico como electrolito y caucho microporoso, cloruro de polivinilo sinterizado, fibra de vidrio, polipropileno, etc., como separador.

5. Pilas de cadmio-níquel y pilas de hidruro metálico

Ambas utilizan óxido de níquel o hidróxido de níquel como electrodo positivo, hidróxido de potasio o solución acuosa de hidróxido de sodio como electrolito, y cadmio metálico o hidruro metálico como electrodo negativo. La pila de hidruro metálico se inventó a finales de los años 80 y utiliza la reacción electroquímica reversible de aleaciones que absorben hidrógeno para liberarlo. Es un producto líder para pequeñas pilas secundarias.

6. Baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio son un término general para las baterías que utilizan litio metálico o compuestos de litio como materiales activos. Se dividen en baterías de litio primarias y baterías de litio secundarias.

La batería utiliza materiales de carbono, que permiten incrustar y extraer iones de litio, en lugar de litio puro como electrodo negativo, con compuestos de litio como electrodo positivo y un electrolito mixto como solución electrolítica.

Los materiales del electrodo positivo de las baterías de iones de litio suelen consistir en compuestos activos de litio, y el electrodo negativo está hecho de carbono con una estructura molecular especial. El material de electrodo positivo más común es el LiCoO2. Durante la carga, la tensión aplicada a través de los terminales de la batería fuerza al compuesto del electrodo positivo a liberar iones de litio, que se incrustan en el carbono con una estructura molecular en capas del electrodo negativo. Durante la descarga, los iones de litio se extraen de las capas de carbono y se vuelven a unir con el compuesto del electrodo positivo. La corriente se genera por el movimiento de los iones de litio.

Aunque el principio de la reacción química es sencillo, en la producción industrial real hay que tener en cuenta muchas cuestiones prácticas: los materiales de los electrodos positivos necesitan aditivos para mantener la actividad durante múltiples ciclos de carga y descarga, y los materiales de los electrodos negativos deben diseñarse a nivel molecular para alojar más iones de litio. El electrolito, que rellena el espacio entre los electrodos positivo y negativo, no sólo debe permanecer estable, sino también tener una buena conductividad para reducir la resistencia interna de la batería.

Aunque las baterías de iones de litio casi no tienen efecto memoria, su capacidad sigue disminuyendo tras múltiples ciclos de carga y descarga. Esto se debe principalmente a los cambios en los propios materiales de los electrodos positivo y negativo. A nivel molecular, las estructuras de agujeros que alojan los iones de litio en los electrodos positivo y negativo se colapsan y obstruyen gradualmente. Desde el punto de vista químico, la actividad de los materiales de los electrodos se pasiva, lo que da lugar a reacciones secundarias que generan otros compuestos estables. Desde el punto de vista físico, el material del electrodo positivo puede desprenderse gradualmente. En resumen, esto reduce el número de iones de litio que pueden moverse libremente durante el proceso de carga-descarga.

La sobrecarga y la descarga profunda provocan daños permanentes en los electrodos positivo y negativo de las baterías de iones de litio. A nivel molecular, la sobredescarga hará que el carbono del electrodo negativo libere demasiados iones de litio, provocando el colapso de la estructura de capas. La sobrecarga forzará la entrada de demasiados iones de litio en la estructura de carbono del electrodo negativo, haciendo que algunos de ellos no puedan liberarse. Esta es la razón por la que las baterías de iones de litio suelen estar equipadas con circuitos de control de carga-descarga.

7. Pilas de combustible

Las pilas de combustible son dispositivos que convierten directamente la energía de un combustible (como el hidrógeno o un combustible que contiene hidrógeno) y un oxidante (como el oxígeno puro o el oxígeno del aire) en electricidad. Tienen un alto rendimiento, con una eficiencia de conversión electroquímica que alcanza más de 40%, y no emiten contaminantes.