Una batería alcalina (código IEC: L) es un tipo de batería primaria que obtiene su energía de la reacción entre el zinc metálico y el dióxido de manganeso .
Tasa de autodescarga | <0,3% / mes |
---|---|
Durabilidad del tiempo | 5 a 10 años |
Voltaje nominal de la celda | 1,5 V |
En comparación con las baterías de zinc-carbono de la celda Leclanché o los tipos de cloruro de zinc , las baterías alcalinas tienen una densidad de energía más alta y una vida útil más larga , pero proporcionan el mismo voltaje.
La batería alcalina recibe su nombre porque tiene un electrolito alcalino de hidróxido de potasio (KOH) en lugar del electrolito ácido de cloruro de amonio (NH 4 CL) o cloruro de zinc (ZnCl 2 ) de las baterías de zinc-carbono. Otros sistemas de baterías también usan electrolitos alcalinos, pero usan diferentes materiales activos para los electrodos.
Las baterías alcalinas representan el 80% de las baterías fabricadas en los EE. UU. Y más de 10 mil millones de unidades individuales producidas en todo el mundo. En Japón, las baterías alcalinas representan el 46% de todas las ventas de baterías primarias. En Suiza, las baterías alcalinas representan el 68%, en el Reino Unido el 60% y en la UE el 47% de todas las ventas de baterías, incluidos los de tipo secundario. [1] [2] [3] [4] [5] Las pilas alcalinas contienen zinc (Zn) y dióxido de manganeso (MnO 2 ) (códigos sanitarios 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. [6]
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, Thomas Edison en 1901. La batería seca alcalina moderna que utiliza la química de zinc / dióxido de manganeso fue inventada por el ingeniero canadiense Lewis Urry en el 1950 en Canadá ya antes de que él comenzó a trabajar para Union Carbide 's Eveready Battery división en Cleveland, OH , basándose en un trabajo anterior de Edison. [7] [8] El 9 de octubre de 1957, Urry, Karl Kordesch y PA Marsal presentaron la patente estadounidense (2.960.558) para la batería alcalina. Fue concedido en 1960 y asignado a Union Carbide Corporation. [9]
Cuando se introdujo a fines de la década de 1960, el electrodo de zinc de las baterías alcalinas (en común con las entonces omnipresentes celdas de carbón y zinc) tenía una película superficial de amalgama de mercurio . Su propósito era controlar la acción electrolítica en los sitios de impurezas, lo que reduciría la vida útil y promovería las fugas. Con las reducciones en el contenido de mercurio ordenadas por varias legislaturas, se hizo necesario mejorar en gran medida la pureza y la consistencia del zinc. [10]
Química
En una batería alcalina, el electrodo negativo es zinc y el electrodo positivo es dióxido de manganeso (MnO 2 ). El electrolito alcalino de hidróxido de potasio no es parte de la reacción, solo el zinc y el MnO 2 se consumen durante la descarga. El electrolito alcalino de los restos de hidróxido de potasio, ya que hay cantidades iguales de OH - consumidos y producidos.
Las semirreacciones son:
- Zn (s) + 2OH - ( aq ) → ZnO (s) + H 2 O (l) + 2e - [E oxidación ° = +1,28 V]
- 2MnO 2 (s) + H 2 O (l) + 2e - → Mn 2 O 3 (s) + 2OH - (aq) [E reducción ° = +0,15 V]
Reacción general:
- Zn (s) + 2MnO 2 (s) ⇌ ZnO (s) + Mn 2 O 3 (s) [e ° = +1,43 V]
La energía química se almacena principalmente en el metal zinc, cuya energía libre cohesiva por átomo es al menos 225 kJ / mol más alta (menos estable) que la de los tres óxidos. [11]
Capacidad
La capacidad de una batería alcalina es mayor que una celda Leclanché de igual tamaño o una celda de cloruro de zinc porque el dióxido de manganeso es más puro y más denso, y los componentes internos como los electrodos ocupan menos espacio. Una celda alcalina puede proporcionar entre tres y cinco veces la capacidad de una celda 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 a bajo consumo, pero con una carga de 1 amperio , que es común para las cámaras digitales, la capacidad podría ser tan pequeña como 700 mAh. El voltaje de la batería disminuye constantemente durante el uso, por lo que la capacidad útil total depende del voltaje de corte de la aplicación.
A diferencia de las celdas de Leclanché, la celda alcalina ofrece la misma capacidad en cargas ligeras intermitentes o continuas. Con una carga pesada, la capacidad se reduce en la descarga continua en comparación con la descarga intermitente, pero la reducción es menor que para las celdas 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 de carga cero efectivo de una pila alcalina no descargada, sin embargo, varía de 1,50 a 1,65 V, dependiendo de la pureza del dióxido de manganeso utilizado y el contenido de óxido de zinc en el electrolito. El voltaje promedio bajo carga depende del nivel de descarga y la cantidad de corriente que se extrae, variando de 1.1 a 1.3 V.La celda completamente descargada todavía tendrá un voltaje restante en el rango de 0.8 a 1.0 V. Se pueden lograr múltiples voltajes con serie de celdas (tres nuevas baterías alcalinas en serie podrán generar entre 4.5 y 5.0 V). [10]
Capacidad | 100% | 90% | 80% | 70% | 60% | 50% | 40% | 30% | 20% | 10% | 0% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Carga cero | 1,59 V | 1,44 V | 1,38 V | 1,34 V | 1,32 V | 1,30 V | 1,28 V | 1,26 V | 1,23 V | 1,20 V | 1,10 V |
330 mW | 1,49 V | 1,35 V | 1,27 V | 1,20 V | 1,16 V | 1,12 V | 1,10 V | 1,08 V | 1.04V | 0,98 V | 0,62 V |
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 el área de la superficie interna de la celda. Una regla general es que una batería alcalina AA puede entregar 700 mA sin un calentamiento significativo. Las celdas más grandes, como las celdas C y D, pueden suministrar más corriente. Las aplicaciones que requieren corrientes de varios amperios, como linternas potentes y estéreos portátiles, requerirán celdas de tamaño D para manejar el aumento de carga.
Construcción
Las pilas alcalinas se fabrican en formas cilíndricas estandarizadas intercambiables con pilas de zinc-carbono y en forma de botón. Varias celdas individuales pueden estar interconectadas para formar una verdadera "batería", como las que se venden para usar con linternas y la batería de radio de transistores de 9 voltios.
Una celda cilíndrica está contenida en una lata de acero inoxidable estirada , que es la conexión del cátodo. La mezcla de electrodos positivos es una pasta comprimida de dióxido de manganeso con polvo de carbono agregado para aumentar la conductividad. La pasta puede comprimirse en 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 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 área de 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 útil, 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, rara vez, cartón, que actúa como una capa final de protección contra fugas y proporciona una superficie en la que se pueden imprimir logotipos y etiquetas.
Cuando se describen 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 generalmente se invierte 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 las baterías alcalinas estándar pueden provocar su ruptura o la fuga de líquidos peligrosos que corroerán el equipo. Sin embargo, se informa que las baterías alcalinas estándar a menudo se pueden recargar unas cuantas veces (por lo general, no más de diez), aunque con capacidad reducida después de cada carga; los cargadores están disponibles comercialmente. 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 se redujo en promedio al 10% de su valor original, con grandes variaciones, después de dos ciclos (sin indicar qué tan agotados estaban antes de recargarlos) después de recargarlos dos veces . [13]
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 6.000 ciclos debido a la capacidad teórica de segundo electrón del dióxido de manganeso. [ aclaración necesaria ] [14] [15] Se informa que la densidad de energía de estas baterías recargables con dióxido de manganeso intercalado con cobre es de más de 160Wh / L, la mejor entre las químicas de base acuosa. [15] Podría tener densidades de energía comparables a las de iones de litio (> 250Wh / L) si se mejora la utilización de zinc en las baterías. [14]
Fugas
Las pilas alcalinas son propensas a perder hidróxido de potasio , un agente cáustico que puede causar irritación respiratoria, ocular y cutánea. [nota 1] El riesgo de esto se puede reducir al no intentar recargar pilas alcalinas desechables, al no mezclar diferentes tipos de pilas en el mismo dispositivo, al reemplazar todas las pilas al mismo tiempo, al almacenar las pilas en un lugar seco y a temperatura ambiente, y quitando las baterías para el almacenamiento de dispositivos.
Todas las baterías se autodescargan gradualmente (ya sea que estén instaladas en un dispositivo o no) y las baterías agotadas eventualmente tendrán fugas. Las temperaturas extremadamente altas también pueden hacer que las baterías se rompan y tengan fugas (como en un automóvil durante el verano), así como reducir la vida útil de la batería.
La razón de las fugas es que a medida que las baterías se descargan, ya sea mediante el uso o la autodescarga gradual, la química de las celdas cambia y se genera algo de gas hidrógeno. Esta liberación de gases aumenta la presión en la batería. Eventualmente, el exceso de presión rompe los sellos aislantes al final de la batería, o el recipiente de metal 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 de acero exterior, el hidróxido de potasio absorbe el dióxido de carbono del aire para formar una estructura cristalina plumosa de carbonato de potasio que crece y se extiende desde la batería con el tiempo, siguiendo los electrodos metálicos hasta las placas de circuito 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 emerger de las costuras alrededor de las cubiertas de la batería para formar una capa peluda fuera del dispositivo, que corroe cualquier objeto en contacto con el dispositivo con fugas.
Disposición
Con la reducción del mercurio en 1996, se permite que las pilas alcalinas se eliminen como residuos domésticos normales en algunos lugares. Sin embargo, las baterías alcalinas más antiguas con mercurio y los demás metales pesados y productos químicos corrosivos restantes en todas las baterías (nuevas y viejas) todavía presentan problemas para su eliminación, especialmente en los vertederos. [16] [17] También existe el problema de simplificar la eliminación de baterías para excluirlas todas, de modo que las más tóxicas se desvíen de las corrientes de desechos generales.
La eliminación varía según la jurisdicción. Por ejemplo, el estado de California considera que todas las baterías son desechos peligrosos cuando se desechan y ha prohibido la eliminación de baterías con otros desechos domésticos. [18] En Europa, la eliminación de baterías está controlada por la Directiva WEEE y las regulaciones de la Directiva de baterías y, como tal, las baterías alcalinas no deben tirarse 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 baterías usadas terminaban en vertederos, pero en 2004, la eliminación de baterías alcalinas en vertederos estaba prohibida por un reglamento de la UE. Los países miembros de la UE se han comprometido a reciclar el 50% de las pilas alcalinas para 2016. La necesidad de reciclado asciende a 125.000 toneladas al año. La proporción de pilas alcalinas es aproximadamente el 80% del total. [ cita requerida ]
En los EE. UU., Solo un estado, California, requiere que se reciclen todas las baterías alcalinas. Vermont también tiene un programa de recolección de baterías alcalinas en todo el estado. [19] En otros estados de EE. UU., Las personas pueden comprar kits de reciclaje de baterías que se utilizan para enviar baterías a los recicladores. Ejemplos de estos kits son The Big Green Box de Retriev Technologies, [20] Battery Solutions 'iRecycleKits, [21] y las cajas de reciclaje de baterías de Call2Recycle . [22] Algunas tiendas como IKEA también recolectan baterías 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. [23]
Para el reciclaje, los metales de las pilas alcalinas trituradas se separan mecánicamente y la masa negra residual se trata químicamente para separar el zinc, el dióxido de manganeso y el hidróxido de potasio.
En los EE. UU., Una empresa llamada Retriev Technologies, Inc. tritura y separa los metales de la carcasa de la batería, el manganeso y el zinc. [24]
Ver también
- Historia de la batería
- Nomenclatura de la batería
- Lewis Urry
- Batería de oxirruro
- Batería recargable
- Pila alcalina recargable
- Recarga de pilas alcalinas
- Lista de tamaños de batería
- Lista de tipos de baterías
- Reciclaje de baterías
- Soporte de la batería
- Tipos de pilas
- Celda de Edison-Lalande (una batería primaria alcalina temprana)
- Comparación de tipos de baterías
Notas
- ^ Este álcali ataca particularmente al aluminio, un material común para las linternas , que puede dañarse por las fugas de las baterías alcalinas.
Referencias
- ^ Olivetti, Elsa; Jeremy Gregory; Randolph Kirchain (febrero de 2011). "Impactos del ciclo de vida de las baterías alcalinas con un enfoque en el final de su vida útil - EBPA-EU" (PDF) . Instituto de Tecnología de Massachusetts, Laboratorio de Sistemas de Materiales. pag. 110. Archivado desde el original (PDF) el 7 de octubre de 2011 . Consultado el 29 de julio de 2014 .
- ^ "Sitio web de BAJ - Estadísticas mensuales de ventas de baterías" . Asociación de baterías de Japón. Mar de 2011. Archivado desde el original el 6 de diciembre de 2010 . Consultado el 29 de julio de 2014 .
- ^ "Absatzzahlen 2008" (PDF) (en alemán). Interessenorganisation Batterieentsorgung. Archivado desde el original (PDF) el 25 de marzo de 2012 . Consultado el 29 de julio de 2014 .
- ^ Fisher, Karen; Wallén, Erika; Laenen, Pieter Paul; Collins, Michael (18 de octubre de 2006). "Informe final de la evaluación del ciclo de vida de la gestión de residuos de baterías para publicación" (PDF) . Gestión de Recursos Ambientales, DEFRA. pag. 230. Archivado desde el original (PDF) el 8 de octubre de 2013 . Consultado el 29 de julio de 2014 .
- ^ "Estadísticas de la batería EPBA - 2000" . Asociación Europea de Baterías Portátiles. 2000. Archivado desde el original el 21 de marzo de 2012 . Consultado el 29 de julio de 2014 .
- ^ Efectos sobre la salud . Agencia para el Registro de Sustancias Tóxicas y Enfermedades (EE. UU.).
- ^ [1]
- ^ Baird, Gabriel (3 de agosto de 2011). "Thomas Edison proporcionó a Lew Urry la chispa de la idea para una mejor batería alcalina: Greater Cleveland Innovations" . cleveland.com . Consultado el 17 de noviembre de 2014 .
- ^ Patente de EE. UU. 2960558 (en inglés)
- ^ a b Reddy, David Linden, Thomas B. (2001). Manual de pilas de Linden (3 ed.). Nueva York: McGraw-Hill. págs. 10-12 . ISBN 978-0-07-135978-8.
- ↑ Schmidt-Rohr, K. (2018). "Cómo las baterías almacenan y liberan energía: explicación de la electroquímica básica" J. Chem. Educ. 95 : 1801-1810. https://dx.doi.org/10.1021/acs.jchemed.8b00479
- ^ SK Loo y Keith Keller (agosto de 2004). "Características de descarga de batería de celda única con el convertidor Boost TPS61070" (PDF) . Instrumentos Texas.
- ^ Ryan Shaw (febrero de 2016). "Cargadores de batería: lo que necesita saber" . ¿Cual? . Consultado el 20 de mayo de 2019 .
- ^ a b Yadav, GG (2017). "Cátodo en capas de MnO2 intercalado con Cu regenerable para baterías densas de energía altamente ciclable" . Comunicaciones de la naturaleza . 8 : 14424. Bibcode : 2017NatCo ... 814424Y . doi : 10.1038 / ncomms14424 . PMC 5343464 . PMID 28262697 .
- ^ a b Yadav, Gautam (2017). "Una batería alcalina de Bi-birnessita / Zn intercalada de Cu2 + de alta densidad energética basada en conversión". Diario de Química de los Materiales A . 5 (30): 15845. doi : 10.1039 / C7TA05347A .
- ^ Departamento de Servicios Ambientales. "Reciclaje de baterías" . Ciudad de San Diego . Consultado el 5 de septiembre de 2012 .
- ^ Empresa de Materias Primas. "Preguntas frecuentes" . Archivado desde el original el 6 de octubre de 2012 . Consultado el 5 de septiembre de 2012 .
- ^ "Baterías" . Información sobre la prevención de residuos Intercambio de iones debido al grafito . Departamento de Reciclaje y Recuperación de Recursos de California (CalRecycle) . Consultado el 5 de septiembre de 2012 .
- ^ "Cuidado, uso y eliminación de las pilas | Pilas Duracell" .
- ^ "Baterías para el hogar" .
- ^ "Tienda" . 2016-01-19.
- ^ "Tienda Call2Recycle | Call2Recycle | Estados Unidos" .
- ^ RecycleNation (18 de marzo de 2014). "Cómo reciclar pilas alcalinas" . RecycleNation . Consultado el 9 de junio de 2018 .
- ^ Retriev Technologies. "Alcalino" . Consultado el 23 de julio de 2019 .
enlaces externos
- Datos de seguridad de materiales alcalinos para pilas alcalinas Duracell
- Baterias alkalinas
- Especificaciones de las pilas alcalinas neutras de la marca basadas en estándares ANSI
- Descripción general de las pruebas y los estándares de la batería