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Pilas (celdas) de litio, alcalinas, de plata y otras: ¿cuáles son los variedades y tipos de pilas?

2020-07-06

El constructor de ”pilas” que usamos hoy en día(como las llamamos coloquialmente, aunque es incorrecto) es el ingeniero francés Georges Leclanché, quien construyó su celda (su nombre correcto) en 1866. Sin embargo, esta celda no debe confundirse con los acumuladores que están disponibles en los mismos tamaños y cuyo principio de funcionamiento es diferente (la diferencia entre pilas y baterías se explicará al final del artículo). Porque la necesidad es la madre de la invención, la original celda Leclanché con la tensión nominal de aprox. 1,5V, fue utilizada para alimentar telégrafos, timbres y los primeros aparatos telefónicos. Hoy en día, después de más de 150 años, estas baterías se utilizan para alimentar pequeños equipos eléctricos, es decir, juguetes, radios, reproductores de música, linternas y otros. Además de ellos, en los equipos comunes cada vez más se utilizan celdas más caras realizadas a base de litio.

Pilas (celdas) de litio, alcalinas, de plata y otras: ¿cuáles son los variedades y tipos de pilas?

La variedad de dispositivos alimentados requiere diferentes celdas en cuanto a la capacidad, el voltaje o la corriente de cortocircuito. Esto se refleja en sus dimensiones y formas, así como en la estructura y tipo de material de electrodo o electrolito utilizado. ¿Cuál es la diferencia entre diferentes "pilas" y cómo usarlas correctamente?

Pilas de zinc-carbono

La desventaja de la celda Leclanché original era el uso de electrolitos líquidos en ella. Consistía en un recipiente en que se colocaban un electrodo de zinc y un recipiente de material poroso. A este recipiente se vertía dióxido de manganeso húmedo y en polvo mezclado con polvo de grafito y se colocaba una varilla de grafito. El recipiente exterior se llenaba con solución concentrada de cloruro de amonio. El dióxido de manganeso servía como despolarizador de electrodo de grafito, que absorbía el hidrógeno emitido. De lo contrario, el gas que se acumulaba en la superficie de la varilla de carbón lo aislaría del resto del electrolito e interrumpiría el flujo de electricidad.

La gran influencia a la comodidad de utilización de este tipo de fuente de energía tuvo la construcción de la versión seca de la celda. Todo ocurrió en Alemania en 1887, y lo logró Carl Gassner. Sustituyó la solución líquida de cloruro de amonio con una mezcla de esta sal con polvo de yeso húmedo (hoy en día se usa generalmente gachas o gel de sílice).

Durante sus más de 150 años de carrera la celda Leclanché (llamada coloquialmente pila de zinc) ha sufrido muchas modificaciones destinadas a aumentar la durabilidad y la capacidad. Una forma de extender su tiempo de trabajo es agregar cloruro de zinc a la pasta de relleno de la copa: estas celdas se llaman Heavy Duty y están diseñadas para alimentar dispositivos más exigentes. Debe tenerse en cuenta que el cloruro de amonio es una sal de una base débil y un ácido fuerte, y por lo tanto se hidroliza y produce una reacción ácida de la solución que llena la célula. En dicho entorno, el zinc sufre una digestión constante, incluso cuando no extraemos electricidad del sistema. Para contrarrestar este fenómeno, se utilizan varias técnicas para minimizar el consumo de metal cuando la pila está inactiva. Uno de ellos es la amalgamación, es decir, cubrir la superficie interna de la copa de zinc con mercurio. El mercurio forma una solución con zinc, y la amalgama de zinc prácticamente no reacciona con los ácidos, pero conserva todas las propiedades electroquímicas del metal puro. Debido a la protección del medio ambiente, este método para aumentar la durabilidad de celdas se usa cada vez menos (en las células libres de mercurio hay una inscripción “0% mercury” o “mercury free”). Las pilas modernas de zinc-carbono tienen una densidad de energía teórica de 40 a 70 Wh/kg. El rango de temperatura de funcionamiento es -10...+50°C. La vida útil de las pilas de zinc-carbono es de aproximadamente 2 años.

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„Pilas derramadas”

Cuando use pilas de zinc-carbono, recuerde no dejarlas en el dispositivo después de que se agoten debido a la posibilidad de fuga de electrolitos. Causa corrosión y puede dañar el equipo.

Pilas alcalinas de Energizer

El hito importante en el campo de las pilas desechables fue el año 1955 y la construcción de una celda alcalina. Esto logró un ingeniero canadiense, Lewis Frederick Urry, un empleado de la compañía que hoy se llama Energizer. En su celda no hay cátodo de grafito y copa de zinc. Ambos electrodos son pastas húmedas, separadas. La mezcla de dióxido de manganeso y grafito actúa como un cátodo, mientras que el ánodo está hecho de polvo de zinc mezclado con hidróxido de potasio. Ambas mezclas se complementan adicionalmente con sustancias espesantes. Solo las conexiones de los polos están hechas de metal.

Pilas alcalinas se caracterizan por tener propiedades de rendimiento mucho mejores y, sobre todo, una mayor capacidad de carga de corriente y una mayor durabilidad. También tienen una mayor densidad de energía, que teóricamente oscila entre 80 y 100 Wh/kg, y un rango de temperatura de funcionamiento más amplio, es decir -30...+70°C. La durabilidad de la pila de este tipo es de 5 a 7 años. Las designaciones de células alcalinas usan la letra L, por ejemplo, una célula R6 ordinaria (coloquialmente llamada "dedo") en la versión alcalina se denomina LR6.

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Pilas de litio-manganeso

Las pilas de litio, por ejemplo, pilas de litio AA, en realidad son pilas de litio y manganeso. Su tensión nominal es de 3 V. Muestran resistencia a las fluctuaciones de temperatura, también tienen una alta densidad de energía, hasta 270 Wh/kg. Gracias a estas propiedades, las pilas de litio AA almacenan casi tres veces más energía que las respectivas pilas AA alcalinas. Se utilizan, por ejemplo, en electrodomésticos, relojes, cámaras, cámaras de foto y ordenadores. Mantienen la energía durante más tiempo, hasta 10 años.

La familia de pilas de litio incluye muchos subtipos que combinan el uso de litio o sus compuestos como ánodo. Entre los compuestos utilizados como material catódico se encuentran, entre otros: óxido de manganeso, cloruro de tionilo, óxido de azufre, yodo, cromato de plata y otros. Estos tipos de pilas pueden producir un voltaje de 1.5V a 3.7V, dependiendo de los productos químicos utilizados.

Las pilas de litio-manganeso tienen una vida extremadamente larga, por lo que a menudo se utilizan para alimentar dispositivos que requieren una larga vida, como marcapasos, implantes auditivos, relojes, mantenimiento de configuración de memoria en equipos electrónicos, etc. Las ventajas indudables incluyen también resistencia a altas descargas de corriente y un amplio rango de temperatura de funcionamiento (incluso de -40 a +65°C).

Antiguamente las pilas de este tipo eran muy caras y, por lo tanto, rara vez se usaban. Hoy en día, además de los equipos que requieren un largo período de uso, incluso se usan en algunos juguetes. Uno de los tipos más populares de pilas de litio son las llamadas pilas de botón, comúnmente llamadas "pilas planas de 3V". Deben su nombre a una apariencia de botón y pequeñas dimensiones. Otros tipos de estas pilas también están disponibles comercialmente, pero debido al precio relativamente alto en comparación con las alcalinas, se usan con menos frecuencia.

Debido a la alta durabilidad, las pilas hechas sobre la base de este tipo de celdas a menudo tienen cables soldados, que se utilizan para soldarlos en la placa. En la práctica, si usamos dicha batería para alimentar memoria estática CMOS RAM o sistema de reloj RTC, puede disfrutar de varios años de funcionamiento sin tener que reemplazarla.

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Pilas plateadas

La tensión nominal de las pilas de plata es 1.55 V. El cátodo en esta celda está hecho de óxido de plata y el ánodo está hecho de zinc. La solución electrolítica es hidróxido de potasio. Las pilas de plata se inventaron a fines del siglo XIX, pero la producción en masa comenzó solo en los años sesenta del siglo XX. Muy a menudo se les conoce como pilas de óxido de plata u óxido de plata.

Pilas plateadas tienen voltaje de salida estable y características de descarga plana. El voltaje en los terminales de la celda cae muy rápidamente después de la descarga. Teóricamente la densidad de energía es de 130...150 Wh/kg. Las pilas plateadas están diseñadas para su uso en dispositivos sensibles al cambio de la tensión de alimentación, que requieren su estabilidad, por ejemplo, en instrumentos de medición.

La vida útil de pila plateada es de aproximadamente 2 años. Sus serias desventajas incluyen el hecho de que el zinc se corroe en el electrolito alcalino, lo que degrada la pila. Debe tenerse en cuenta que, por lo general, después de aproximadamente 5 años, comienzan a filtrarse y representan una amenaza para el medio ambiente.

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Designaciones y dimensiones de pilas populares.

A continuación, presentamos y discutimos las marcas y dimensiones de las pilas más populares disponibles en el mercado:

Pilas AA (doble A)

Las pilas “AA”, comúnmente conocidos como "doble A", alternativamente están marcadas R6 en la versión regular y LR6 en la versión alcalina. Las dimensiones de la pila "AA" son de 14 mm de diámetro y 50 mm de altura. Su tensión nominal es de 1.5 V. Hoy en día, las pilas "AA" tienen una capacidad desde 1600 hasta aproximadamente 2500 mAh.

Pilas AAA (triple A)

Pilas „AAA”, al ser una versión más pequeña de las doble A, son igualmente populares y llevan la designación R03 en la versión regular y LR03 en la versión alcalina. Tienen el mismo voltaje que "AA". Las dimensiones de la pila "AAA" son de 10 mm de diámetro y 44 mm de altura. También tienen una capacidad menor: desde 800 mAh hasta aproximadamente 1200 mAh.

 

Pilas LR61, R14, R20 y otras

Las pilas alcalinas LR61 son otra variación de pilas aún más pequeñas. Sus dimensiones son de 8,3 mm de diámetro y 42,5 mm de altura. La tensión nominal es de 1.5 V y la capacidad es de hasta 650 mAh. Si se necesita una mayor capacidad, use pilas cilíndricas con la designación R14 o mayor - R20. Las dimensiones de la pila R14 son de 23 mm de diámetro y 50 mm de altura. Su capacidad puede llegar hasta 8000 mAh. La más grande entre las pilas cilíndricas populares es R20. Las dimensiones de la pila R20 son 33 mm de diámetro y 58 mm de altura. Su capacidad alcanza hasta 21000 mAh.

Las pilas con un voltaje diferente a 1.5 V se crean conectando las celdas en serie. Y, por ejemplo, la llamada pila plana tiene 3 celdas R10 conectadas en serie. Otras, como la popular pila de 9 voltios 6F22, son 6 celdas F22 conectadas en serie con dimensiones de 25 mm×15 mm×8 mm, encerradas en una sola carcasa rectangular.

La capacidad de la pila mencionada anteriormente debe tratarse como aproximada, ya que el constante progreso tecnológico y la gran demanda de fuentes de energía eficientes significan que estos productos se desarrollan constantemente y sus parámetros están cambiando. Las dimensiones y las designaciones de tipo de las populares pilas de zinc-carbono y alcalinas se dan en la tabla a continuación.

Designación de la pila Dimensiones de la pila Tensión nominal de la pila
ANSI IEC NEDA Otras [mm] [V]
ANSI IEC NEDA Inne [mm] [V]
N R1 910A - L=30,2 mm; D=12 mm 1,5 V
AAAA LR61 25A MN2500 L=42 mm; D=8 mm 1,5 V
AAA R03 24A MN2400, AM4, UM4, HP16 L=44,5 mm; D=10,5 mm 1,5 V
AAAL - - - L=50 mm; D=10,5 mm 1,5 V
AA R6 15A MN1500, AM3, UM3, HP7 L=50 mm; D=14,2 mm 1,5 V
- R10 - - L=34 mm; D=21 mm 1,5 V
- 2R10 - - L=68 mm; D=21 mm 3 V
C R14 14A UM2, MN1400, HP11 L=50 mm; D=23 mm 1,5 V
D R20 13A MN1300, UM1, HP2 L=58 mm; D=33 mm 1,5 V
F - - - L=87 mm; D=32 mm 1,5 V
J - - - L=150 mm; D=2 mm 1,5 V
- 3R12 - GP312S, pila plana Paralelepípedo 67 mm × 22 mm × 67 mm 4,5 V
- - - lantern, 996 Paralelepípedo 68 mm×115 mm×68 mm 6 V
PP3 6LR61, 6F22, 6R61 1604A MN1604, block Paralelepípedo 48 mm×25 mm×15 mm 9 V
- 6F25 - - Paralelepípedo 48 mm×25 mm×25 mm 9 V
PP9 6F100 1603 - Paralelepípedo 51,6 mm×65,1 mm×80,2 mm 9 V
- 4R25X 908 MN908 Paralelepípedo 110 mm×67,7 mm×67,7 mm 6 V
- 4R25 915A - Paralelepípedo 110 mm ×67,7 mm×67,7 mm 6 V
- 4LR25-2 918A MN918 Paralelepípedo 127 mm×136,5 mm×73 mm 6 V
- - - PC926 Paralelepípedo 127 mm×136,5 mm×73 mm 12 V

Las designaciones de las pilas de litio no requieren aprender sus parámetros, ya que todas tienen una tensión nominal de 3V, mientras que las dimensiones están codificadas en la designación de la pila, de la siguiente manera CR<2 dígitos, diámetro en mm><2 dígitos, espesor - valor ×0.1 mm>. Por ejemplo, los números en el símbolo de una pila popular CR2032 significan 20 mm de diámetro y 3,2 mm de espesor.

Desafortunadamente, la declaración anterior se aplica solo a los tipos populares de pilas de litio-manganeso con una tensión nominal de 3V. Las pilas plateadas también están disponibles entre las pilas de celda plateada, que están marcadas de manera diferente.

¿Cuál es la diferencia entre pilas y baterías?

En resumen, la pila es una celda de un solo uso que, cuando se queda sin energía acumulada en ella, se vuelve inútil porque no se puede recargar (es decir, acumular nuevamente la energía eléctrica). Su opuesto son las baterías, es decir, las celdas con una vida útil de varios cientos a varios miles de ciclos de carga - descarga.

Un breve resumen de la información más importante sobre la batería

Como parte de este breve artículo, solo se describen los tipos más populares de pilas de zinc-carbono, alcalinas y de litio-manganeso. Es imposible resumir 150 años de desarrollo tecnológico y experimentos con varias sustancias. Es por eso que se han omitido las pilas de mercurio, que están obsoletas debido al contenido de sustancias peligrosas para el medio ambiente y otras, menos populares en las aplicaciones cotidianas, como las pilas de zinc-aire o plata.

Finalmente, una nota que se aplica a todos los tipos de celdas desechables. ¡A pesar de varios intentos de muchas personas, las celdas desechables no son adecuadas para la regeneración y no deben cargarse! Los procesos químicos en el electrolito no se pueden revertir mediante la carga, mientras que el gas que se desarrolla durante el flujo de electricidad puede hacer que la celda reviente y explote.


Bibliografía:

  • mlodytechnik.pl/eksperymenty-i-zadania-szkolne/chemia/4695-ogniwa-uzywane-wspolczesnie
  • www.energizer.eu/pl/battery-history/
  • pl.wikipedia.org/wiki/Bateria_ogniw
  • telefix.ugu.pl/baterie.htm

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