Todo funciona con pilas. Y, ¿cómo funcionan las pilas?

Gran parte de los aparatos que utilizamos cada día funciona con pilas: móvil, reloj, ordenador portátil, marcapasos, audífonos, etc. El avance de todas estas tecnologías, ha sido posible gracias al desarrollo y miniaturización de las pilas. Sin embargo, nos encontramos ante un nuevo reto: la implantación generalizada del automóvil eléctrico. Esta revolución tecnológica requiere conseguir que las baterías lleguen a tener alta capacidad de carga, menor peso y un precio asequible.

La importancia de las pilas y las baterías es incuestionable pero, ¿sabemos lo que pasa dentro de este pequeño dispositivo?  

Frecuentemente, se utilizan los términos pila y batería indistintamente, pero hay diferencias importantes entre ellos.  Pila, es un dispositivo que produce corriente eléctrica, de manera irreversible y, por tanto, es desechable. Por otro lado,  batería, es un dispositivo que también genera corriente eléctrica, pero de forma reversible y por tanto, es recargable. Existe un tipo de baterías que, debido a la semejanza en forma y tamaño que tienen con las pilas, se les denomina comúnmente “pilas recargables”. Sin embargo, el término correcto seguiría siendo batería.

El fundamento tanto de pilas como baterías es el mismo: en su interior se transforma energía química en energía eléctrica.

Tanto pilas como baterías, tienen los siguientes elementos comunes:

  • Electrodo positivo (+), denominado cátodo.
  • Electrodo negativo (-), denominado ánodo.
  • Electrolito: es una disolución, de uno o varios compuestos químicos, que permite el paso de electrones entre ambos electrodos.

Lo que diferencia a cada tipo de pila o batería, son los elementos y compuestos químicos que intervienen en las reacciones. ¡Vamos a ver algunos tipos!

BATERÍA DE PLOMO-ÁCIDO

Fue la primera batería de uso comercial recargable, y es la que utilizan actualmente los coches convencionales. Una batería de plomo-ácido se compone de un ánodo de plomo y un cátodo de dióxido de plomo sumergidos en ácido sulfúrico muy concentrado. Ambos electrodos reaccionan con el ácido para producir sulfato de plomo (II). ¿Cómo se genera la corriente eléctrica? La reacción en el ánodo de plomo provoca la liberación de electrones, mientras que la reacción en el cátodo de dióxido de plomo es deficitaria en electrones. Por eso al conectar ambos polos los electrones se mueven de un polo al otro, generando la corriente eléctrica.

Estas reacciones químicas son reversibles. De esta manera  la batería tiene la capacidad de producir corriente al circuito al que está conectada (se descarga). Si por el contrario aplicamos corriente desde un dispositivo externo a la batería, ésta se carga de nuevo.

Éstas son las reacciones que tienen lugar dentro de la batería:

  • Proceso de descarga: la reacción libera electrones. Produce corriente.

Pb + HSO4  ———->   PbSO4 + H+ + 2e

  • Proceso de carga: la reacción capta electrones. Debe recibir corriente externa para que se produzca.

PbO2 + 3 H++ HSO4 ———->  PbSO4 + 2H2O – 2e

Ambas reacciones se producen en un recipiente que se denomina celda y genera una diferencia de potencial de 2 V. Para conseguir 12 V, que es la corriente que se utiliza en un coche actual, hace falta unir en “batería” 6 celdas, de ahí su nombre.

El gran inconveniente de este tipo de baterías es su elevado peso, ya que el plomo tiene uno de los mayores pesos atómicos de la tabla periódica (Pa=207,21).

PILA LECLANCHÉ O PILA SALINA

Esta pila, no recargable, fue la primera pila de pequeño tamaño que se fabricó, y aún se sigue utilizando actualmente. El ánodo es de zinc (que sirve a su vez de depósito y envoltorio) y el cátodo está formado por dióxido de manganeso. Ambos elementos se encuentran sumergidos en un gel de cloruro de amonio y cloruro de zinc. Suministra un voltaje de 1,4 a 1,6 voltios.

El gran inconveniente de esta pila es que, una vez agotado el recipiente de zinc, se perfora y libera un líquido corrosivo que puede dañar seriamente el aparato en el que esté colocada. Si alguna vez te has olvidado las pilas en algún dispositivo, entenderás perfectamente de qué hablo.

PILA ALCALINA

La pila alcalina se está imponiendo sobre las Leclanché debido a su mayor duración y por el hecho de que no liberan líquido corrosivo al final de su uso.

La energía eléctrica de estas pilas se produce por la reacción entre el zinc (ánodo) y el dióxido de manganeso (cátodo), empleando como electrolito hidróxido de potasio. El hidróxido de potasio es un compuesto de carácter básico o alcalino, de ahí el nombre de este tipo de pila. Producen un voltaje de 1,5 V.

PILA DE BOTÓN

Este tipo de pila, con forma similar a una moneda o un botón, es muy utilizada. Una de sus ventajas es que se puede fabricar en muy diversos tamaños y dimensiones, llegando a lograr tamaños muy reducidos, lo que permite adaptarse a aparatos muy pequeños, como audífonos o marcapasos, por ejemplo.

En un principio a este tipo de pila se las conocía como “pilas de mercurio” debido a su composición. Como el resto de pilas y baterías, las pilas de botón tienen un ánodo, formado por zinc, y un cátodo, formado por óxido de mercurio (II). Ambos se encuentran embebidos en el electrolito, que en este caso se trata de una disolución de hidróxido de potasio. Produce 1,3 V, aproximadamente.

El principal problema de estas pilas es que en el proceso de descarga se libera mercurio metálico, que fácilmente se puede transformar en metil-mercurio. Este compuesto es contaminante, de fácil asimilación por los seres vivos y por tanto muy tóxico. Por eso, desde 2015 no está permitida su comercialización en muchos países, entre ellos, España. Las pilas con formato de botón o moneda que podemos encontrarnos actualmente son de tecnología alcalina o de litio, no tienen mercurio en su composición.

BATERÍA DE LITIO O IÓN-LITIO

A principios de los años 1990, comenzó la comercialización de esta batería (por tanto, recargable) de litio o ión-litio. Es la que se emplea en teléfonos móviles, ordenadores portátiles, etc. De su evolución depende la implantación masiva del automóvil eléctrico.

La gran ventaja de la batería de litio es su bajo peso, ya que el litio es uno de los elementos de menor peso atómico (Pa=6,94). Tienen una elevada capacidad de carga por unidad de peso y volumen, de modo que producen 3,7 V por celda.

La batería de un vehículo eléctrico modelo “Tesla S”, está formada por 7.000 celdas de ion-litio, tiene un peso de unos 600 kg, de los que 7 kg. son de litio.

En la pila de ion-litio, el cátodo generalmente es óxido de litio-cobalto (LiCoO2) y más recientemente de fosfato de litio y hierro (LiFePO4). El ánodo está formado por grafito. Para mejorar el rendimiento de esta batería, se utilizan pequeñas cantidades de niobio y zirconio.

Recientemente, se han producido algunos casos muy llamativos de explosiones en este tipo de baterías. Para evitarlo ya se han incorporado dispositivos de seguridad.

El premio Nobel de Química de 2019, se ha concedido al Estadounidense John B. Goodenough, el Británico Stanley Whittingham y el Japonés Akira Yoshin, por su aportación al desarrollo de las baterías de litio.

RECICLADO

Como hemos visto, tanto pilas como baterías contienen metales pesados y otros compuestos químicos altamente tóxicos que pueden contaminar muy seriamente, suelos y aguas: mercurio, plomo, cadmio, zinc, etc.

Se estima que, el desecho inadecuado de pilas y baterías, es el causante del 93% del mercurio en la basura doméstica, del 47% del zinc, del 48% del cadmio y del 22% del níquel.

Es por tanto imprescindible depositar todo tipo de pilas y baterías en puntos de reciclaje adecuados.


Alfredo Negro Albañil. Doctor en Química. Profesor e investigador, durante 35 años en las Facultades de Veterinaria y Biología de la Universidad de León. Actualmente está jubilado y dedica parte de su tiempo a la divulgación científica en conferencias, prensa y otros medios.

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