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LIBROS Y ARTÍCULOS Capítulo 1 1.1. Tipos de celdas galvánicas.
Directorio / Baterías y acumuladores Las fuentes de corriente galvánica desechables son un contenedor unificado que contiene un electrolito absorbido por el material activo del separador y los electrodos (ánodo y cátodo), por lo que se denominan celdas secas. Este término se usa para todas las celdas que no contienen un electrolito líquido. Las celdas secas convencionales incluyen celdas de carbono-zinc o celdas de Leclanchet [1]. Las pilas secas se utilizan para corrientes bajas y funcionamiento intermitente. Por lo tanto, dichos elementos son muy utilizados en teléfonos, juguetes, sistemas de alarma, etc. Dado que la gama de dispositivos que utilizan pilas secas es muy amplia y, además, se requiere su reemplazo periódico, existen estándares para sus dimensiones [1]. Durante el proceso de descarga, la tensión de la pila seca cae desde la tensión nominal hasta la tensión de corte (la tensión de corte es la tensión mínima a la que la batería es capaz de entregar la energía mínima), es decir típicamente 1,2V a 0,8V/celda dependiendo de la aplicación. En caso de descarga, cuando se conecta a un elemento de resistencia constante después de que se cierra el circuito, el voltaje en sus terminales disminuye bruscamente a un cierto valor ligeramente menor que el voltaje inicial. La corriente que fluye en este caso se llama corriente de descarga inicial. La funcionalidad de una celda seca depende del consumo de corriente, el voltaje de corte y las condiciones de descarga. La eficiencia de la celda aumenta a medida que disminuye la corriente de descarga. Para las celdas secas, una descarga continua de menos de 24 horas puede clasificarse como una descarga de alta velocidad. La capacidad eléctrica de una pila seca se negocia para una descarga a través de una resistencia fija a una tensión final dada en horas, dependiendo de la descarga inicial, y se representa mediante un gráfico o tabla. Es aconsejable utilizar el gráfico o tabla del fabricante para una batería en particular. Esto se debe no solo a la necesidad de tener en cuenta las características del producto, sino también a que cada fabricante da sus recomendaciones sobre el mejor uso de sus productos. La resistencia interna de la batería puede limitar la cantidad de corriente necesaria, como cuando se usa en un instante. La corriente constante inicial que una batería puede proporcionar durante un período corto de tiempo se denomina corriente flash. La designación del tipo de elemento contiene letras que corresponden a las corrientes de destello y la resistencia interna del elemento, medidas en corriente continua y alterna. La corriente de destello y la resistencia interna son muy difíciles de medir, y las celdas pueden tener una larga vida útil, pero la corriente de destello puede disminuir. 1.1. Tipos de celdas galvánicas Elementos de carbono-zinc Las pilas de carbono-zinc (manganeso-zinc) son las pilas secas más comunes. Las celdas de zinc-carbono utilizan un colector de corriente pasivo (carbono) en contacto con un ánodo de dióxido de manganeso (MnO2), un electrolito de cloruro de amonio y un cátodo de zinc. El electrolito está en estado pastoso o impregna un diafragma poroso. Tal electrolito no es muy móvil y no se propaga, por lo que las celdas se llaman secas. El voltaje nominal de la celda de carbono-zinc es de 1,5 V. Los elementos secos pueden tener forma cilíndrica, de disco y rectangular. El dispositivo de elementos rectangulares es similar a los de disco. El ánodo de zinc se fabrica en forma de copa cilíndrica, que también es un recipiente. Las celdas de disco consisten en una placa de zinc, un diafragma de cartón impregnado con una solución electrolítica y una capa de electrodo positivo prensado. Las celdas del disco están conectadas en serie entre sí, la batería resultante está aislada y empaquetada en una caja. Los elementos de carbono-zinc se "recuperan" durante una pausa en el trabajo. Este fenómeno se debe a la nivelación gradual de las faltas de homogeneidad locales en la composición del electrolito que surgen durante el proceso de descarga. Como resultado del "descanso" periódico, se prolonga la vida útil del elemento. Esto debe tenerse en cuenta cuando las pilas se utilizan de forma intensiva (y se utilizan varios conjuntos para el funcionamiento, de modo que un conjunto tenga un período de tiempo suficiente para la recuperación. Por ejemplo, cuando se utiliza el reproductor, no se recomienda utilizar un solo conjunto de baterías). durante más de dos horas seguidas Al cambiar dos conjuntos, los elementos de tiempo de funcionamiento se triplican. La ventaja de los elementos de carbono-zinc es su costo relativamente bajo. Las desventajas significativas incluyen una disminución significativa en el voltaje durante la descarga, baja potencia específica (5 ... 10 W / kg) y una vida útil corta. Las bajas temperaturas reducen la eficiencia del uso de las celdas galvánicas, y el calentamiento interno de la batería la aumenta. Un aumento de la temperatura provoca la corrosión química del electrodo de zinc por el agua contenida en el electrolito y el secado del electrolito. Estos factores se pueden compensar en cierta medida manteniendo la batería a una temperatura elevada e introduciendo una solución salina en la celda a través de un orificio previamente realizado. elementos alcalinos Al igual que las pilas de zinc-carbono, las pilas alcalinas utilizan un ánodo de MnO2 y un cátodo de zinc con un electrolito separado. La diferencia entre las pilas alcalinas y las de carbono-zinc radica en el uso de un electrolito alcalino, por lo que prácticamente no hay desprendimiento de gas durante la descarga, y pueden sellarse, lo que es muy importante para varias de sus aplicaciones. El voltaje de las pilas alcalinas es aproximadamente 0,1 V menor que el de las de carbono-zinc, en las mismas condiciones. Por lo tanto, estos elementos son intercambiables. El voltaje de las celdas de electrolitos alcalinos varía mucho menos que el de las celdas de electrolitos de sal. Las celdas con electrolito alcalino también tienen mayor energía específica (65...90 Wh/kg), potencia específica (100...150 kWh/m3) y mayor vida útil. Carga de pilas y baterías de manganeso-zinc Producida por corriente alterna asimétrica. Puede cargar las celdas con electrolito salino o alcalino de cualquier concentración, pero no demasiado descargadas y sin dañar los electrodos de zinc. Dentro de la fecha de caducidad establecida para un determinado tipo de celda o batería, es posible realizar varias restauraciones de rendimiento (6 ... 8 veces) [2]. Las baterías secas y las celdas se cargan desde un dispositivo especial que le permite obtener la corriente de carga de la forma requerida: con una proporción de los componentes de carga y descarga de 10:1 y una proporción de la duración del pulso de estos componentes de 1:2 . Este dispositivo le permite cargar las baterías del reloj y activar las baterías pequeñas viejas. Al cargar las baterías del reloj, la corriente de carga no debe exceder los 2 mA. El tiempo de carga no es más de 5 horas. La batería recargable se enciende a través de dos cadenas de diodos conectados en paralelo con resistencias. La corriente de carga asimétrica se obtiene como resultado de la diferencia en las resistencias de los resistores. El final de la carga está determinado por el cese del aumento de voltaje en la batería. El voltaje del devanado secundario del transformador del cargador se selecciona de modo que el voltaje de salida exceda el voltaje nominal del elemento en un 50 ... 60%. El tiempo de carga de la batería con el dispositivo descrito debe ser de aproximadamente 12 ... 16 horas. La capacidad de carga debe ser aproximadamente un 50 % mayor que la capacidad nominal de la batería. elementos de mercurio Los elementos de mercurio son muy similares a los elementos alcalinos. Utilizan óxido de mercurio (HgO). El cátodo consiste en una mezcla de polvo de zinc y mercurio. El ánodo y el cátodo están separados por un separador y un diafragma impregnado con una solución alcalina al 40%. Estos elementos tienen una larga vida útil y mayores capacidades (para el mismo volumen). El voltaje de una celda de mercurio es aproximadamente 0,15 V más bajo que el de una celda alcalina. Las celdas de mercurio se caracterizan por una alta energía específica (90...120 Wh/kg, 300...400 kWh/m3), estabilidad de voltaje y alta resistencia mecánica. Para dispositivos de tamaño pequeño, se han creado elementos modernizados de los tipos RTs-31S, RTs-33S y RTs-55US. La energía específica de los elementos RTs-31S y RTs-55US es de 600 kWh/m3, los elementos de RTs-33S son de 700 kWh/m3. Los elementos RC-31S y RC-33S se utilizan para alimentar relojes y otros equipos. Los elementos RC-55US están diseñados para equipos médicos, en particular para dispositivos médicos implantables. Los elementos RC-31S y RC-33C funcionan durante 1,5 años con corrientes de 10 y 18 μA, respectivamente, y el elemento RC-55US garantiza el funcionamiento de los dispositivos médicos implantables durante 5 años. Las celdas de mercurio funcionan en el rango de temperatura de 0 a +50oC; Existen modificaciones de elementos en las que se utilizan aleaciones de indio y titanio en lugar de polvo de zinc (electrodo negativo). Dado que el mercurio es escaso y tóxico, las celdas de mercurio no deben desecharse después de que se hayan agotado. Deben ser reciclados. elementos de plata Tienen cátodos de "plata" hechos de Ag2O y AgO. Su voltaje es 0,2 V mayor que el del carbono-zinc en condiciones comparables [1]. Celdas de litio Utilizan ánodos de litio, un electrolito orgánico y cátodos hechos de varios materiales. Tienen una vida útil muy larga, altas densidades de energía y funcionan en un amplio rango de temperatura, ya que no contienen agua. Dado que el litio tiene el potencial negativo más alto con respecto a todos los metales, las celdas de litio se caracterizan por la clasificación de voltaje más alta con dimensiones mínimas. Los compuestos orgánicos generalmente se usan como solventes en tales celdas. Los disolventes también pueden ser compuestos inorgánicos, como SOCl2, que también son sustancias reactivas. La conductividad iónica se asegura introduciendo sales con aniones grandes en disolventes, por ejemplo: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. La conductividad eléctrica específica de las soluciones electrolíticas no acuosas es de 1 a 2 órdenes de magnitud inferior a la conductividad de las soluciones acuosas. Además, los procesos catódicos en ellos suelen proceder lentamente, por lo tanto, en celdas con electrolitos no acuosos, las densidades de corriente son bajas. Las desventajas de las celdas de litio incluyen su costo relativamente alto, debido al alto precio del litio, requisitos especiales para su producción (necesidad de una atmósfera inerte, purificación de solventes no acuosos). También hay que tener en cuenta que algunas pilas de litio son explosivas cuando se abren. Dichos elementos generalmente se fabrican en diseños de botón pulsador con un voltaje de 1,5 V y 3 V. Proporcionan energía al circuito con éxito con un consumo de aproximadamente 30 μA en modo constante o 100 μA en modo intermitente. Las celdas de litio se utilizan ampliamente en fuentes de alimentación de respaldo para circuitos de memoria, instrumentos de medición y otros sistemas de alta tecnología. Atrás (Introducción) Adelante (Baterías de las principales empresas del mundo)
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