Pila alcalina

Una batería alcalina (código IEC: L) es un tipo de batería primaria donde el electrolito (más comúnmente hidróxido de potasio) tiene un valor de pH superior a 7. Normalmente, estas baterías obtienen energía de la reacción entre zinc metálico y dióxido de manganeso.

En comparación con las baterías de zinc-carbono del tipo de celda Leclanché o de cloruro de zinc, las baterías alcalinas tienen una mayor densidad de energía y una vida útil más larga, pero proporcionan el mismo voltaje.

La pila alcalina recibe su nombre porque tiene un electrolito alcalino de hidróxido de potasio (KOH) en lugar del ácido cloruro de amonio (NH₄Cl) o cloruro de zinc (ZnCl_{2) electrolito de las baterías de zinc-carbono. Otros sistemas de baterías también utilizan electrolitos alcalinos, pero utilizan diferentes materiales activos para los electrodos.}

Las baterías alcalinas representan el 80% de las baterías fabricadas en los EE. UU. y se producen más de 10 mil millones de unidades individuales en todo el mundo. En Japón, las pilas alcalinas representan el 46% de todas las ventas de pilas primarias. En Suiza, las pilas alcalinas representan el 68%, en el Reino Unido el 60% y en la UE el 47% de todas las ventas de pilas, incluidos los tipos secundarios. Las pilas alcalinas contienen zinc (Zn) y dióxido de manganeso (MnO₂) (códigos de salud 1), que es una neurotoxina acumulativa y puede ser tóxica en concentraciones más altas. Sin embargo, en comparación con otros tipos de pilas, la toxicidad de las pilas alcalinas es moderada.

Las pilas alcalinas se utilizan en muchos artículos del hogar, como reproductores de MP3, reproductores de CD, cámaras digitales, juguetes, linternas y radios.

Historia

Las baterías con electrolito alcalino (en lugar de ácido) fueron desarrolladas por primera vez por Waldemar Jungner en 1899 y, trabajando de forma independiente, por Thomas Edison en 1901. La moderna batería seca alcalina, que utiliza la química del dióxido de zinc/manganeso, fue inventada por el canadiense El ingeniero Lewis Urry en la década de 1950 en Canadá antes de comenzar a trabajar para la división Eveready Battery de Union Carbide en Cleveland, OH, basándose en trabajos anteriores de Edison. El 9 de octubre de 1957, Urry, Karl Kordesch y P.A. Marsal presentó la patente estadounidense (2.960.558) para la batería alcalina. Fue concedido en 1960 y quedó adscrito a Union Carbide Corporation.

Cuando se introdujeron las pilas alcalinas a finales de la década de 1960, sus electrodos de zinc (al igual que las entonces omnipresentes pilas de carbono-zinc) tenían una película superficial de amalgama de mercurio. Su finalidad era controlar la acción electrolítica sobre las impurezas del zinc; que la acción electrolítica no deseada reduciría la vida útil y promovería fugas. Cuando varias legislaturas ordenaron reducciones en el contenido de mercurio, se hizo necesario mejorar en gran medida la pureza y consistencia del zinc.

Química

En una batería alcalina, el electrodo negativo es zinc y el electrodo positivo es dióxido de manganeso (MnO₂). El electrolito alcalino de hidróxido de potasio (KOH) no se consume durante la reacción (se regenera), sólo el zinc y el MnO₂ se consumen durante la descarga. La concentración de electrolito alcalino de hidróxido de potasio permanece constante, ya que se consumen y se producen cantidades iguales de aniones OH- en las dos semirreacciones que ocurren en los electrodos.

Las dos semirreacciones son:

Anodo (reacción de oxidación), electrodo cargado negativamente porque acepta e⁻ del reductor en la celda:

Zn_s) + 2 OH⁻_aq) → ZnO_s) + H₂O_l) + 2 e⁻ (E°_Ox = +1,28 V)

Cathode (reacción de reducción), electrodo cargado positivamente porque dar e⁻ al óxido en la celda:

2 MnO_{2 s)} + 2 H₂O_l) + 2 e⁻ → 2 MnO(OH) (s) + 2 OH⁻_aq)

La reacción general (suma de reacciones anódicas y catódicas) es:

Zn_s) + 2 MnO_{2 s)} ⇌ ZnO_s) + Mn₂O_{3 s)} (E°_célula = E°_Ox + E°_rojo = nominalmente +1,5 V)

Capacidad

La capacidad de una batería alcalina es mayor que la de una celda Leclanché o de cloruro de zinc del mismo tamaño porque el dióxido de manganeso es más puro y más denso, y los componentes internos, como los electrodos, ocupan menos espacio. Una pila alcalina puede proporcionar entre tres y cinco veces la capacidad de una pila ácida.

La capacidad de una batería alcalina depende en gran medida de la carga. Una batería alcalina de tamaño AA puede tener una capacidad efectiva de 3000 mAh con un consumo bajo, pero con una carga de 1 amperio, que es común en las cámaras digitales, la capacidad podría ser de tan solo 700 mAh. El voltaje de la batería disminuye constantemente durante el uso, por lo que la capacidad utilizable total depende del voltaje de corte de la aplicación.

A diferencia de las pilas Leclanché, la pila alcalina ofrece aproximadamente la misma capacidad en cargas ligeras intermitentes o continuas. En una carga pesada, la capacidad se reduce en la descarga continua en comparación con la descarga intermitente, pero la reducción es menor que en el caso de las células Leclanche.

Voltaje

El voltaje nominal de una pila alcalina nueva según lo establecido por los estándares del fabricante es de 1,5 V. El voltaje real sin carga de una pila alcalina nueva oscila entre 1,50 y 1,65 V, dependiendo de la pureza de el dióxido de manganeso utilizado y el contenido de óxido de zinc en el electrolito. El voltaje entregado a una carga disminuye a medida que aumenta la corriente consumida y a medida que la celda se descarga. Una celda se considera completamente descargada cuando el voltaje cae a aproximadamente 1,0 V. Las celdas conectadas en serie producen un voltaje igual a la suma de los voltajes de cada celda (por ejemplo, tres celdas generan aproximadamente 4,5 V cuando son nuevas).

Actual

La cantidad de corriente eléctrica que puede suministrar una batería alcalina es aproximadamente proporcional a su tamaño físico. Esto es el resultado de la disminución de la resistencia interna a medida que aumenta la superficie interna de la celda. Una regla general es que una batería alcalina AA puede entregar 700 mA sin ningún calentamiento significativo. Las células más grandes, como las C y D, pueden suministrar más corriente. Las aplicaciones que requieren corrientes de varios amperios, como equipos de audio portátiles potentes, requieren celdas de tamaño D para manejar el aumento de carga.

En comparación, las baterías de iones de litio y Ni-MH pueden manejar 2 amperios con facilidad en el tamaño AA estándar.

Construcción

Las pilas alcalinas se fabrican en formas cilíndricas estándar intercambiables con pilas de zinc-carbono y en forma de botón. Se pueden interconectar varias celdas individuales para formar una verdadera "batería", como la batería de tamaño PP3 de 9 voltios.

Una celda cilíndrica está contenida en una lata de acero inoxidable trefilada, que es la conexión catódica. La mezcla del electrodo positivo es una pasta comprimida de dióxido de manganeso con polvo de carbón agregado para aumentar la conductividad. La pasta puede presionarse dentro de la lata o depositarse como anillos premoldeados. El centro hueco del cátodo está revestido con un separador que evita el contacto de los materiales del electrodo y el cortocircuito de la celda. El separador está hecho de una capa no tejida de celulosa o de un polímero sintético. El separador debe conducir iones y permanecer estable en la solución electrolítica altamente alcalina.

El electrodo negativo está compuesto por una dispersión de polvo de zinc en un gel que contiene el electrolito de hidróxido de potasio. El polvo de zinc proporciona más superficie para que se produzcan reacciones químicas, en comparación con una lata de metal. Esto reduce la resistencia interna de la celda. Para evitar la formación de gases en la celda al final de su vida, se utiliza más dióxido de manganeso del necesario para reaccionar con todo el zinc. Además, generalmente se agrega una junta de plástico para aumentar la resistencia a las fugas.

Luego, la celda se envuelve en papel de aluminio, una película de plástico o, en raras ocasiones, cartón, que actúa como una capa final de protección contra fugas, además de proporcionar una superficie sobre la que se pueden imprimir logotipos y etiquetas.

Al describir celdas de tamaño AAA, AA, C, sub-C y D, el electrodo negativo está conectado al extremo plano y el terminal positivo es el extremo con el botón elevado. Esto suele ocurrir a la inversa en las pilas de botón, siendo la lata cilíndrica de extremo plano el terminal positivo.

Recarga de pilas alcalinas

Algunas pilas alcalinas están diseñadas para recargarse varias veces y se describen como pilas alcalinas recargables. Los intentos de recargar baterías alcalinas estándar pueden provocar roturas o fugas de líquidos peligrosos que corroen el equipo. Sin embargo, se informa que las baterías alcalinas estándar a menudo se pueden recargar varias veces (normalmente no más de diez), aunque con capacidad reducida después de cada carga; Los cargadores están disponibles comercialmente. La organización de consumidores del Reino Unido ¿Cuál? informó que probó dos de estos cargadores con baterías alcalinas Energizer y encontró que la capacidad de la batería cayó en promedio al 10% de su valor original, con enormes variaciones, después de dos ciclos (sin indicar qué tan agotados estaban antes de recargarlos) después de recargarlos dos veces.

En 2017, Gautam G. Yadav publicó artículos que informaban que las baterías alcalinas fabricadas intercalando las capas intermedias con iones de cobre podrían recargarse durante más de 6000 ciclos debido a la capacidad teórica del segundo electrón del dióxido de manganeso. Se informa que la densidad de energía de estas baterías recargables con dióxido de manganeso intercalado de cobre es superior a 160 Wh/L, la mejor entre las sustancias químicas de base acuosa. Podría ser capaz de alcanzar densidades de energía comparables a las de iones de litio (> 250 Wh/L) si se mejorara la utilización del zinc en las baterías.

Fugas

Las baterías alcalinas son propensas a perder hidróxido de potasio, un agente cáustico que puede causar irritación respiratoria, ocular y cutánea. El riesgo de que esto ocurra se puede reducir almacenando las baterías en un lugar seco y a temperatura ambiente. El daño por fugas se mitiga quitando las baterías al almacenar los dispositivos. La aplicación de corriente inversa (por ejemplo, recargando celdas desechables o mezclando baterías de diferentes tipos o estados de carga en el mismo dispositivo) puede aumentar el riesgo de fugas.

Todas las baterías se descargan gradualmente (ya sea que estén instaladas en un dispositivo o no) y las baterías agotadas eventualmente tienen fugas. Las temperaturas extremadamente altas también pueden provocar que las baterías se rompan y tengan fugas (como en un automóvil durante el verano), así como disminuir la vida útil de la batería.

El motivo de las fugas es que a medida que las baterías se descargan, ya sea por uso o por autodescarga gradual, la química de las celdas cambia y se genera algo de gas hidrógeno. Esta desgasificación aumenta la presión en la batería. Con el tiempo, el exceso de presión rompe los sellos aislantes al final de la batería, el recipiente metálico exterior o ambos. Además, a medida que la batería envejece, su recipiente exterior de acero puede corroerse u oxidarse gradualmente, lo que puede contribuir aún más a fallas de contención.

Una vez que se ha formado una fuga debido a la corrosión de la carcasa exterior de acero, el hidróxido de potasio absorbe dióxido de carbono del aire para formar una estructura cristalina de carbonato de potasio que crece y se extiende desde la batería con el tiempo, siguiendo los electrodos metálicos hasta placas de circuito donde comienza la oxidación de las pistas de cobre y otros componentes, lo que provoca daños permanentes en los circuitos.

Los crecimientos cristalinos con fugas también pueden surgir de las costuras alrededor de las tapas de las baterías para formar una capa peluda fuera del dispositivo, que corroe cualquier objeto en contacto con el dispositivo con fugas.

Eliminación

Dado que las pilas alcalinas se fabricaron con menos mercurio a partir de 1996, en algunos lugares se permite eliminarlas como residuo doméstico normal. Sin embargo, las pilas alcalinas más antiguas con mercurio y otros metales pesados y productos químicos corrosivos restantes en todas las pilas (nuevas y viejas) todavía presentan problemas de eliminación, especialmente en los vertederos. También está la cuestión de simplificar la eliminación de las pilas excluyéndolas de los residuos domésticos, de modo que las pilas más tóxicas se desvíen de los flujos generales de residuos.

La eliminación varía según la jurisdicción. Por ejemplo, el estado de California considera que todas las baterías son residuos peligrosos cuando se desechan y ha prohibido su eliminación junto con los residuos domésticos. En Europa, la eliminación de baterías está controlada por las regulaciones de la Directiva WEEE y la Directiva de baterías y, como tales, las baterías alcalinas no deben desecharse con la basura doméstica. En la UE, la mayoría de las tiendas que venden baterías están obligadas por ley a aceptar baterías viejas para su reciclaje.

Reciclaje

El uso de pilas desechables aumenta entre un 5% y un 6% cada año. En el pasado, las pilas usadas terminaban en vertederos, pero en 2004, un reglamento de la UE prohibió la eliminación de pilas alcalinas en vertederos. Los países miembros de la UE se han comprometido a reciclar el 50% de las pilas alcalinas de aquí a 2016. La necesidad de reciclaje asciende así a 125.000 toneladas al año. La proporción de pilas alcalinas es aproximadamente el 80% del total.

En EE. UU., solo un estado, California, exige que todas las pilas alcalinas se reciclen. Vermont también tiene un programa de recolección de baterías alcalinas a nivel estatal. En otros estados de EE. UU., las personas pueden comprar kits de reciclaje de baterías que se utilizan para enviar baterías a los recicladores. Algunas tiendas como IKEA también recogen pilas alcalinas para reciclarlas. Sin embargo, algunas cadenas de tiendas que anuncian el reciclaje de baterías (como Best Buy) solo aceptan baterías recargables y, por lo general, no aceptan baterías alcalinas.

Para el reciclaje, los metales de las pilas alcalinas trituradas se separan mecánicamente y la masa negra residual se trata químicamente para separar zinc, dióxido de manganeso e hidróxido de potasio.