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• Jose Luis Castro

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ

Facultad de ingeniería

Carrera: Ingeniería en Mecatrónica

Titulo: Pilas y baterías

Alumno: Castro López José Luis

Martes 27 de Octubre del 2015, San Luis Potosí, S.L.P.

¿Qué es una pila? La pila es un objeto que sirve como fuente energética para el funcionamiento de diversos dispositivos, teniendo la capacidad de convertir la energía química en energía eléctrica. Se denomina pila o elemento galvánico a un sistema en el que la energía química de una reacción química es transformada en energía eléctrica.

¿Qué es una batería? La batería eléctrica es un artefacto que acumula energía a través de procesos electroquímicos. Este tipo de baterías, también conocidas como acumuladoras, trabajan como generadores secundarios de electricidad ya que su funcionamiento depende de una carga eléctrica previa. Batería, unidad productora de energía eléctrica constituida por varias pilas.

Antecedentes de pilas. Alrededor de los años 1800, Alessandro Volta (de quien obtenemos el nombre de la unidad de medición de la diferencia de potencial: voltios) profesor de filosofía natural en la universidad de Pavia, construyó el primer aparato conocido que generó corriente continua. Lo que hizo fue poner dos pequeños discos del tamaño de una moneda pequeña, uno de plata y el otro de zinc en un recipiente, separados por un material esponjoso como el cuero. Todo este conjunto estaba sumergido en agua salada o en otra solución alcalina. A este conjunto le podemos llamar una pila. Michael Faraday estaba utilizando pilas voltaicas para realizar estudios en electricidad y magnetismo. Descubrió que enviando corriente por un conductor, un campo magnético se inducía en un conductor paralelo (el inicio del electromagnetismo). Continuando con sus estudios y experimentos Faraday descubrió en 1831 que un magneto en movimiento podía generar electricidad en un conductor cercano. De esta manera se dio nacimiento al dinamo. En el año 1920 un joven científico, Samuel Rubén y un también joven empresario llamado Philip Rogers Mallory se conocieron cuando Rubén visitó la fábrica de Mallory buscando un equipo que necesitaba para un experimento. Juntos vieron el futuro en sus proyectos y unieron la inventiva de uno con el poder de manufactura del otro. Esta unión que se mantuvo hasta la muerte de Mallory en 1975 fue la base de la empresa que todos conocen: Duracell International. Las invenciones de Samuel Rubens revolucionaron la tecnología de las baterías. El creo la célula de mercurio que era mucho más eficiente que la que se utilizaba antes de zinc carbón. Este invento fue especialmente útil en la segunda guerra mundial. En el año 1950 Samuel Rubén mejoró la batería alcalina de magnesio haciéndola más resistente, compacta y de una gran duración. La empresa Kodak introdujo cámaras con flash incorporado y necesitaba este tipo de pilas pero en el tamaño AAA. La empresa Mallory las creó. La demanda en el mercado fotográfico era muy grande y fue este el motivo de la creación de la empresa Duracell en el año 1964.

Antecedentes baterías. Es posible que en tiempos muy remotos la gente ya hubiera explorado y probado la electricidad. Una batería muy rudimentaria de hace miles de años fue encontrada cerca de Baghdad en 1932. Era una batería que contenía un núcleo de hierro insertado en cilindro delgado de cobre. Tal vez fue diseñada para almacenar electricidad estática. La historia de esta antigua batería tal vez nunca la sepamos, pero lo que si se sabe es que en la antigua Grecia ya se conocía el efecto que tenía una pieza de ámbar cuando era frotado

con otro material: tenía la propiedad de atraer cuerpos ligeros. Pero la historia de la batería es mucho más reciente. Alrededor de los años 1800, Alessandro Volta se dio cuenta de que si ponía pilas una seguida de otra, unidas por tiras de metal se lograba que el voltaje final fuera mayor, a lo que se conoce como batería. En 1813, Sir Humphrey Davy conecto una batería gigante en el sótano de la Sociedad Real Británica. Esta batería estaba hecha de 2,000 pares de platinas y tenía el tamaño de alrededor de 100 m2. Con esta batería realizó muchos experimentos que permitieron un más profundo conocimiento de la naturaleza de la electricidad. Poco a poco los científicos fueron mejorando la idea original de la batería de Volta y en 1860 George Leclanche de Francia desarrollo la primera batería utilizada ampliamente (la célula de zinc carbón) El ánodo era de zinc y una aleación de mercurio y el cátodo era un compuesto de dióxido de magnesio y un poco de carbón. Ambos: ánodo y cátodo fueron sumergidos en una solución de cloruro de amonio, que actuaba como electrolito. El sistema fue llamado: "la célula mojada". Aunque la idea de Leclache era barata fue desplazada en 1880 por la célula seca

Clasificación de pilas.

Las pilas no son más que una fuente de energía que generan electricidad a través de una serie de procesos químicos. Están compuestas por dos electrodos, dos placas eléctricas hechas de metales de distinta carga (el ánodo y el cátodo), separados por una solución química que se encarga de posibilitar el traspaso de electrones entre las dos placas. A esta solución se la llama electrolito. Según de qué estén compuestos los electrodos y el electrolito las pilas serán de una clase u otra. Existen pilas de diferentes tipos, formas, colores, tamaños, capacidades, especialidades, funcionalidades, etc. En términos generales se pueden enumerar estos tipos: Salinas: Llamadas así porque su electrolito es una solución salina. Alcalinas: El electrolito que emplean es una solución de hidróxido de potasio, comúnmente llamado álcali, de ahí su nombre. Pilas de litio: Emplean el litio como ánodo. Dentro de este tipo podemos hablar también de las pilas de ion-litio, que tienen un electrolito con sales de litio, además de que su ánodo es también de este material. Pilas de níquel-cadmio: Sus electrodos son esos dos minerales. Como el cadmio es un material bastante tóxico ha surgido una derivación de esta clase de pilas, las de níquel-metal hidruro, que reemplazan el cadmio por un metal hidruro. No recargables: Son aquellas baterías que contienen una carga determinada, que al finalizarse deben desecharse. Es decir, su uso está limitado a la carga que esta contenga. Recargables: Su principal característica es la posibilidad de volver a cargar sus sistemas cuantas veces sea requerido. Se distinguen por poseer algún detalle en color verde para su rápida identificación. Secas: las incluidas en este grupo son las que están conformadas por elementos tales como litio, carbón, metal, níquel y alcalinas, entre otros. Estas son mayormente usadas para el funcionamiento de los artefactos electrónicos de uso domestico. Húmedas: la característica más distintiva de estas es su composición a base de ácido. En este caso son el tipo de batería más usada para los autos, motos, camiones, tractores, y otros tipos de maquinaria; aunque también son muy usadas en algunos tipos de equipos electrónicos portátiles. Por tamaño: Doble A: al igual que la subsiguiente, esta clasificación está basada en un tamaño de pila.

Dentro de las características físicas que estas poseen, podemos nombrar como las principales su altura de cincuenta milímetros y su diámetro de catorce milímetros; y en cuanto a su capacidad eléctrica, estas tienen un voltaje de 1,5V. Triple A: estas son usadas para dispositivos más pequeños y con una corriente menor. Respecto a su estructura física podemos mencionar que tiene una altura de cuarenta y cuatro milímetros y medio; y un diámetro de diez milímetros y medio. Si bien su capacidad eléctrica se ve disminuida en tres veces sobre la pila doble A, esta también tiene un voltaje de 1,5V. De reloj: son también llamadas pilas de botón y son usadas, como denota el nombre, fundamentalmente para relojes de muñeca. En este caso se trata de una pila con forma redonda y chata, encastrada en una funda metálica de la misma forma (compuesta de tapa y contratapa) donde una tapa conecta con el polo positivo y la otra con el negativo. Pueden encontrarse fabricadas de diferentes compuestos que serán específicos según el uso que se les vaya a dar. Tipos y usos de las pilas.

Tipo de pila Comunes

Uso

Comentario

General Gran mayoría mercado

Primarias (No recargables)

Zinc carbón

General

Alcalina de manganeso

General

Óxido de mercurio

Aparatos auditivos y equipos fotográficos

Óxido de plata

Calculadoras, relojes electrónicos y cámaras fotográficas.

Zinc-aire

Aparatos auditivos.

en

Se desarrolló para

el

sustituir a la pila de óxido mercúrico utilizada en los audífonos. Litio

Níquel-Cadmio

Secundarias (recargables) litio-ion

níquel-hidruro metálico

Relojes y equipos fotográficos, sistemas de soporte de memoria, aplicaciones industriales y militares. Herramientas electroMás común y más portátiles, cámaras de usadas: Cerca del 80 % video, teléfonos celulares, de las baterías dispositivos de seguridad, recargables son de níquel iluminación de emergencia, cadmio (Ni-Cd). Pueden equipos médicos. También recargarse cientos de en satélites que están en la veces, lenta o muy órbita de la Tierra. rápidamente.

Productos de alta tecnología: terminales para computadoras laptop y teléfonos celulares, donde lo importante es el tamaño pequeño, alta capacidad de energía con baja tasa de descarga.

Productos donde son importantes una capacidad de energía alta o un tamaño físico pequeño. (Computadoras laptop, celulares y videocámaras).

Electro-portátiles, juguetes,

Es la tecnología más nueva que ha incorporado la industria de pilas. El proceso de recarga es considerablemente más complicado que el de las Ni-Cd o Ni-MH, y requiere un sistema de recarga mucho más caro.

Plomo ácido selladas

luces de emergencia, suministro de energía continúo para telecomunicaciones y sistemas de alarmas, sistemas solares, etc.

Alcalinas recargables

Sólo compiten con las Ni Cd en aplicaciones de bajo consumo (laptops y celulares)

Clasificación. Tipos y usos de baterías. Las baterías o acumuladores son dispositivos capaces de acumular energía eléctrica a través de procesos de carácter electroquímicos. Algunas son: BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO: este tipo de baterías están conformadas por dos electrodos de plomo, y suele utilizarse en los automóviles. Con respecto a su funcionamiento, en el proceso de carga, el sulfato de plomo se convierte en plomo metal en el cátodo o polo negativo. Por otra parte, en el polo positivo o ánodo se produce la formación de óxido de plomo. En el proceso de descarga, los procesos mencionados anteriormente se llevan a cabo de forma invertida. De esta manera el oxido de plomo se reduce a sulfato de plomo, y en el ánodo el plomo comienza a oxidarse, convirtiéndose en sulfato de plomo. Sin embargo este tipo de transformación no puede ser repetido de manera indefinida. Luego de un tiempo, el sulfato de plomo forma cristales, y no es posible realizar el proceso de manera reversible. Es en ese momento cuando la batería se ha sulfatado y ya no es posible volver a emplearla. BATERÍAS DE NÍQUEL-HIERRO (NI-FE): esta clase de baterías fue desarrollada por Edison a principios del siglo XX. Se conformaba por filas de tubos compuestos por acero niquelado, los cuales contenían hidróxido de níquel. El polo positivo contenía acero niquelado con polvo de oxido ferroso. Las baterías de níquel son de fabricación simple, bajo costo y pueden sobrecargarse o descargarse reiteradas veces sin por ello perder su capacidad. BATERÍAS ALCALINAS DE MANGANESO: son similares a las pilas alcalinas, con la excepción de que están conformadas por hidróxido de potasio. Su envoltura es de acero y el zinc es polvo ubicado en el centro. Las baterías alcalinas de manganeso tienen un valor elevado y se emplean en máquinas de mayor consumo de energía como juguetes con motor. BATERÍAS DE NÍQUEL-CADMIO (NI-CD): ésta clase de batería funciona a partir de un ánodo de cadmio y un cátodo compuesto por hidróxido de níquel. Por su parte, el electrolito se

conforma de hidróxido de potasio. Pueden ser recargadas una vez gastadas, aunque disponen de poca capacidad. BATERÍAS DE NÍQUEL-HIDRURO METÁLICO (NI-MH): emplean un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo compuesto por una aleación de hidruro metálico. Son reacias al contacto con las bajas temperaturas, disminuyendo en gran parte su eficacia. BATERÍAS DE IONES DE LITIO (LI-ION): dispone de un ánodo de grafito, mientras que el cátodo funciona a partir de oxido de cobalto, oxido de manganeso. No permiten la descarga y son capaces de alcanzar potencias elevadas. Sin embargo se ven afectadas por los cambios de temperatura. BATERÍAS DE POLÍMERO DE LITIO (LIPO): cuentan con características análogas a las baterías de iones de litio, aunque su densidad es mayor. Son de tamaño reducido por lo que suelen utilizarse en pequeños equipos.

Contaminación. Uso adecuado de pilas y baterías. Se trata de dos elementos que la gente usa mucho y que después de su utilización, tiran con el resto de la basura. Aunque en Europa, por ejemplo, hay una ley que obliga a quien las vende hacerse cargo de su residuo, en otros países no existe una regulación en su consumo. El problema es que terminan en basureros a cielo abierto, rellenos sanitarios, terrenos baldíos y hasta cauces de agua. Por ende, contaminan suelo, agua y aire; además, afecta a las personas que viven cerca de esos basurales. Las pilas usadas son, definitivamente, residuos peligrosos. Sobre todo, las que contienen grandes cantidades de metales muy tóxicos, como: mercurio, cadmio, plomo, plata, níquel, manganeso. Por eso, se recomienda el reciclaje de pilas y baterías usadas, como una forma de aprovechar sus materiales y para evitar que vayan a residuales o rellenos. Se las puede almacenar en recipientes herméticos de plástico (lejos del alcance de los chicos), hasta encontrar su destino responsable con el medio ambiente. Además, se aconseja disminuir su uso, elegir las pilas recargables (duran 300 veces más que las comunes), comprar las que indiquen estar libre de mercurio, sacar las que estén en los artefactos que no se estén usando y nos mezclar pilas y baterías nuevas con viejas. Y, por último, llevarlas a los puntos de recolección. Una evaluación de riesgos para la salud y el ambiente por la exposición a los contaminantes referidos es difícil, ya que el ámbito geográfico donde se depositan las pilas es muy amplio (todo el país) así como su distribución temporal y poblacional; sin embargo, aunque no se pueda cuantificar es seguro que los componentes tóxicos de las pilas y baterías, así como los compuestos a que dan origen cuando son desechadas, se pueden encontrar en cantidades mínimas en los tejidos de los organismos que integran los diferentes ecosistemas, incluido el

organismo humano, además de los contaminantes procedentes de otras fuentes. Por lo tanto, al no existir una certidumbre científicamente satisfactoria con respecto a la relación causa efecto de los contaminantes generados por las pilas es necesario considerar el enfoque precautorio que propone investigar e informar, en un primer momento, a la población potencialmente expuesta al riesgo e intentar actuar para contrarrestar los posibles impactos a la salud y al ambiente a través de implementar su disposición o reciclaje, y en el mediano plazo reducir los volúmenes de consumo de pilas y baterías; disminuir esos impactos sólo se logrará a través de una percepción social de la problemática. En términos generales, las pilas, al ser desechadas se oxidan con el paso del tiempo por la descomposición de sus elementos y de la materia orgánica que las circunda, lo que provoca daños a la carcasa o envoltura y, por consiguiente, la liberación al ambiente de sus componentes tóxicos a los suelos cercanos y a los cuerpos de agua superficiales o subterráneos. Otras causas de considerable importancia que contribuyen a la liberación de esos componentes son los incendios de los basureros o la quema intencional de basura, lo cual representa un aporte significativo de ese contaminante al aire. ¿Cómo se ha manejado el riesgo en México? A pesar de la contaminación originada por la inadecuada disposición de pilas y baterías y de la percepción del riesgo que tiene la sociedad con respecto a los efectos ambientales que este hecho representa, se ha hecho muy poco, debido a diferentes causas de tipo legal y económico. Se ha intentado organizar programas de recolección de baterías en el país, pero no se considera que el reciclado de las baterías alcalinas no es viable, en términos económicos, ya que la energía utilizada en el proceso no es costeada por los materiales recuperados como son el carbón o el zinc, debido a que el precio de estos materiales en el mercado es demasiado bajo. Dichos programas tampoco consideran que, en caso de que se optara por una disposición final, no se cuenta con la infraestructura adecuada en los municipios para recibirlos; además, todo programa de recolección debe contemplar la separación de las diferentes tipos de baterías, ya que cada uno requiere de tecnología diferente para ser dispuesto o reciclado. No obstante lo anterior, se han llevado a cabo varios intentos de programas de recolección en diferentes ciudades del país, así como iniciativas en escuelas, centros comerciales y a través de organizaciones civiles. También algunos sectores académicos han intentado desarrollar tecnología para la disposición segura o reciclado sin éxito aparente. Por parte del sector gubernamental, el Instituto Nacional de Ecología organizó en diciembre de 1998 en la Ciudad de México un taller sobre reciclado de baterías, donde se hicieron propuestas de diferentes países miembros de la OCDE para apoyar a México en este asunto, pero a la fecha no hay avances. ¿Dónde se depositan o reciclan en México las pilas y las baterías? Desde que se propagó el uso de baterías en México, a partir de los inicios de la década de 1960, éstas se han desechado en forma inapropiada; en el mejor de los casos van a dar a tiraderos municipales que cumplen con las especificaciones técnicas, aunque esto no significa que cuenten con programas de manejo adecuado y disposición para estos productos, y en el peor de los casos, se tiran cerca de ecosistemas frágiles, cuerpos de agua o se emiten al aire sus componentes tóxicos a través de la quema de basura.

Las prácticas de reciclado en México han estado ausentes debido a los altos costos económicos y las prácticas con tecnologías no adecuadas han dado lugar a costos ambientales no estudiados. A pesar de lo anterior, muchos grupos de ciudadanos se han preocupado por organizar programas de recolección sin pensar en la disposición final o reciclado, lo cual ha llevado a la necesidad de pensar en alternativas para disposición segura y reciclado.

Preguntas frecuentes. ¿Por qué las pilas no se deben dejar mucho tiempo dentro de los aparatos? Después de cierto tiempo, los componentes de las pilas comienzan a oxidarse, deshaciendo su empaque. Estas sustancias, al estar en contacto directo con los aparatos, terminan por "quemarlos" y echarlos a perder. Se recomienda quitar las baterías a los aparatos que no van a ser usados por lapsos prolongados. ¿Por qué no se debe de perforar una pila? Los componentes de la pila, en su mayoría tóxicos, si son sacados de la envoltura o empaque antes de oxidarse, pueden quemar o corroer las superficies con las que tengan contacto.

Además, pueden lastimar seriamente la piel humana. ¿Por qué no se deben quemar? Algunas pilas pueden explotar al entrar en contacto con el fuego. En otros casos, los componentes de las pilas entran en combustión y liberan gran cantidad de contaminantes al aire. ¿Cómo sustituir su uso? Lo más recomendable es disminuir su consumo utilizando baterías recargables. Sin embargo, lo mejor es evitar comprar aparatos que requieran de pilas para funcionar. Existen un sinfín de productos que utilizan energía solar, muchos de ellos son juguetes, relojes, radios, lámparas, ventiladores, calentadores, etcétera. Además, la corriente generada por cada pila es 450 veces más cara que la generada para la corriente eléctrica. ¿Es mejor utilizar pilas "piratas"? No. Las pilas de origen ilegal o "piratas" contaminan más que otras, debido a que su tiempo de duración es muy corto, por lo que se desechan rápidamente. Se calcula que en un año se consumen más de 300 millones de pilas de origen ilegal, lo cual podría dar una dimensión de la cantidad de materiales tóxicos que producen. ¿Las pilas y baterías que se utilizan en los celulares también contaminan? Sí. Cada año se consumen 75 toneladas de baterías de telefonía inalámbrica; 18 % del contenido de estas baterías es cadmio y 20 % es níquel, por lo que se calcula que cerca de 28,5 toneladas de residuos peligrosos son generados anualmente por las baterías de los celulares.

Conclusión. Al terminar el trabajo podemos concluir que las pilas almacenan energía química la cual después será transformada en energía eléctrica, así mismo sabemos que hay muchos tipos de pilas (por tamaño, color, reciclables, primarias, voltaje etc.) también llegamos a la conclusión que para su fabricación necesitamos varios elementos los cuales son altamente tóxicos es por esto que las pilas son altamente contaminantes y al menos en mi investigación no encontré un método eficaz para prevenir esto. Las baterías según lo investigado son un conjunto de pilas en serie o en paralelo las cuales

tienen capacidad de almacenar mas energía. Para finalizar sabemos que la población ya depende de las pilas y las medidas que se pueden tomar son usar pilas recargables y recolectar y almacenar en frascos cerrados las pilas que ya no funcionen.

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