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1 Pilas, acumuladores y baterías Fundamento teórico y análisis de los diferentes diseños de interés tecnológico Dr. Iván Jachmanián Facultad de Química.

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1 1 Pilas, acumuladores y baterías Fundamento teórico y análisis de los diferentes diseños de interés tecnológico Dr. Iván Jachmanián Facultad de Química

2 2 A + e - A - reducción B - B + e - oxidación A + B - A - + Breacción global Reacciones redox en solución G 1 G 2 G 3 G 3 = G 1 + G 2 A + B - A - + B G 3 > 0 G 3 < 0

3 3 A + e - A - reducción B - B + e - oxidación A + B - A - + Breacción global E 1 - E 2 E 3 E 3 = E 1 - E 2 A + B - A - + B E 3 < 0 E 3 > 0 G = - n F E

4 4 Potenciales estándares de reducción (Eº) REACCIÓN Eº 25ºC (v)

5 5

6 6 A + e - A - reducción B - B + e - oxidación Reacción en solución e-e- e-e- e-e- e-e- Reacción en una celda o pila e-e- e-e- e- e-e- e-e-

7 7 Zn + Cu ++ Zn ++ + Cu Zn Cu ++ Zn e - Zn Eº Zn 2+ /Zn = Cu e - Cu Eº Cu 2+ /Cu = 0.34 E Cu 2+ /Cu > E Zn 2+ /Zn

8 8 Zn + Cu ++ Zn ++ + Cu Zn Zn ++ Cu Cu ++ CELDA ELECTROQUÍMICA V

9 9 Zn + Cu ++ Zn ++ + Cu Zn Zn ++ Cu Cu ++ resistencia I e-e- CELDA GALVÁNICA + -

10 10 Zn + Cu ++ Zn ++ + Cu - Fuente + I e-e- CELDA ELECTROLÍTICA Zn Zn ++ Cu Cu

11 V ext + Si V ext < E j=0 descarga, espontáneo Si V ext > E j=0 carga, no espontáneo Si V ext = E j=0 I=0

12 12 es al revés en celda electrolítica En una celda galvánica Cátodo : ocurre la reducción (+) Ánodo: ocurre la oxidación (-)

13 13 Pilas y acumuladores electroquímicos PILA : dispositivo capaz de convertir energía química en energía eléctrica. ACUMULADOR : Pila recargable.

14 14 ENERGÍA QUÍMICA ENERGÍA ELÉCTRICA PILAS ACUMULADORES ( + ) E 1 CÁTODO ÁNODO E 2 ( - ) I R e R 1 O 1 + n 1 e - O 2 + n 2 e - R 2 DESCARGACARGA CÁTODO ÁNODO

15 Potencial (E) a.- Potencial de equilibrio (I = 0) (FEM, potencial normal o nominal) E CELDA j=0 = ( E c j=0 - E a j=0 ) Magnitud característica del par que constituye la celda Magnitudes de interés

16 16 b.- Potencial de descarga (E CELDA j 0 ) E CELDA j 0 < E CELDA j=0 E CELDA j 0 - E CELDA j=0 = total (sobrepotencial) total = función (I) E depende de I E I E j=0 I MAX total curva característica

17 17 E I ¿cuánto vale E e I para la descarga a través de R e ? Función 1: E=f(I) : curva característica de la pila Función 2: E=R e.I: línea de la resistencia (Ohm) E=R e.I punto de operación I descarga E descarga

18 18 moles 1 moles de la especie electroactiva ¿depende de la I de descarga? Capacidad útil C real C teórica Cantidad de carga que puede ser entregada 2.- Capacidad (C)

19 19 Densidad de carga almacenada: capacidad/masa (Ah/Kg) capacidad/volumen (Ah/L)

20 Energía eléctrica almacenada Energía eléctrica entregada=trabajo eléctrico realizado Trabajo eléctrico q - + E

21 21 Si la mayor cantidad de la carga almacenada se entrega a un potencial de descarga aproximadamente constante (E medio ) :

22 22 Densidad de energía: Energía eléctrica almacenada/masa (Wh/Kg) Energía almacenada/volumen (Wh/L)

23 Potencia (P) Velocidad con que se entrega la energía P = E. I (E CELDA j 0 ) E descarga = función (I) P depende de I

24 24 E, P I punto de operación I descarga E descarga P = E. I P descarga P = E. I

25 25 Sistemas de interés tecnológico 1.- Baterías Primarias - No se recargan: desechables - Pilas secas - No requieren mantenimiento - Pequeñas y de bajo costo - Equipos portátiles - Alta densidad de energía

26 26 Reacción anódica: disolución del ánodo metálico M M n+ + ne - Metal Eº M n+ /M Densidad de carga Litio V 3.86Ah/g Magnesio V2.20Ah/g Cadmio V0.47 Ah/g Cinc V 0.82 Ah/g

27 27 Leclanché (Zn/MnO 2 ) AnodoZn Zn 2+ CátodoMnO 2 MnOOH ElectrolitoNH 4 Cl, ZnCl 2, H 2 O V= 1.55V Bajo costo Disponibilidad en gran variedad de diseños Buena operación a bajas corrientes

28 28

29 29 Leclanché alcalina (Zn/MnO 2 ) AnodoZn Zn 2+ CátodoMnO 2 Mn 2 O 3 ElectrolitoKOH (30%) V= 1.55V Mejor operación a corrientes altas Mayor capacidad real Mejor operación a baja temperatura

30 30 Pila de Mercurio (Zn/HgO) ÁnodoZn ZnO CátodoHgO Hg ElectrolitoKOH (40%), ZnO V= 1.36V

31 31 Baja autodescarga Alta densidad de energía Fotografía Marcapasos Audífonos

32 32 Pila de óxido de plata (Zn/Ag 2 O) AnodoZn ZnO CátodoAg 2 O Ag ElectrolitoKOH (40%) V= 1.6 V

33 33 Pila cinc-aire AnodoZn Zn(OH) 2 CátodoO 2 OH - ElectrolitoKOH (40%) V= 1.65 V

34 34 Pila cinc/aire: 2 Zn + O H 2 O 2 Zn(OH) 2 Pila tipo botón

35 35 Pila de Magnesio (Mg/MnO 2 ) AnodoMg Mg(OH) 2 CátodoMnO 2 Mn 2 O 3 ElectrolitoKOH (30%) V= 1.9 V Alta tensión nominal Alta densidad de energía

36 36 Pilas de Litio: Monofluoruro de carbono: ÁnodoLi LiF CátodoCF C V= 2.8 – 3.3 V Pilas botón (relojes, calculadoras, etc)

37 37 Sales de cobre o plata: AnodoLi Li 2 CrO 4 CátodoAg 2 CrO 4 Ag V= 3.5 V Pilas botón (marcapasos)

38 38 Óxidos: ÁnodoLi Li 2 O CátodoM 2 O n M V= MnO 2 : 3VCuO: 1.5V Pilas botón (calculadoras, relojes, etc)

39 39 Sulfuros ÁnodoLi Li 2 S CátodoCuS Cu V= 1.5V Pilas botón (calculadoras, relojes, etc)

40 Baterías Secundarias - Capaces de recibir carga: - Mayor costo que primarias - Menor densidad de energía - Mayor potencia

41 41 Pb – ácido Reacciones de descarga: (+)PbO 2 PbSO 4 (-)Pb PbSO 4 V= 2.1V Ciclos: Densidad de energía: Wh/Kg

42 42 Ni-Cd Reacciones de descarga (+)NiO(OH) Ni (-)Cd Cd(OH) 2 V= 1.3V Ciclos: 2500 Densidad de energía: 25 Wh/Kg

43 43 Ni-Fe (-)Fe Fe(OH) 2 1.4V 30 Wh/Kg Ni-Zn (-)Zn Zn(OH) 2 1.4V Wh/Kg

44 44 Ag-Zn Reacciones de descarga (+)Ag 2 O Ag (-)Zn ZnO V= 1.7V Ciclos: 100 Densidad de energía: 90 Wh/Kg

45 45 ¿Cuál fue el sistema con mayor voltaje? ¿Existen pilas con un voltaje superior?

46 46 ¿Cómo pueden modificarse los parámetros característicos de un par galvánico? Conexión de un conjunto de celdas entre sí: BATERÍAS Se obtiene un dispositivo con características convenientemente modificadas de acuerdo al uso que se le va a dar. Modalidades básicas de conexión: SERIEPARALELO

47 47 SERIE V S = 4 V i I S = I i 4 V i (I MAX ) i I La conexión en serie multiplica el potencial

48 48 PARALELO V P = V i I P = 4 I i I V i 4(I MAX ) i La conexión en paralelo multiplica la corriente máxima de operación

49 I I CAPACIDAD C S = C i C P = 4 C i El arreglo en paralelo permite multiplicar la capacidad

50 I I ENERGÍA Energía s = 4V i C i V S = 4 V i C S = C i Energía p = 4V i C i V p = V i C p = 4C i La energía acumulada sólo depende del número de celdas de la batería

51 51 POTENCIA 4Vi4Vi 4I i V i I i R R1R1 R4R4 R3R3 R2R2 R5R5

52 52 Combinación serie/paralelo V i I i 4Vi4Vi 4 celdas en serie 4I i 4 celdas en paralelo 16 celdas combinadas en serie y en paralelo

53 53 ACUMULADOR DEL TIPO Pb/H 2 SO 4 (Planté, 1860 ) (+)PbO2 (s) + HSO H+ + 2 e- PbSO4 (s) + 2 H2O (-)Pb (s) + HSO4- PbSO4 (s) + H+ + 2 e- Eº PbO2/ PbSO4 = V Eº PbSO 4 /Pb = V E CELDA j=0 2 V

54 54 Sobre placas de plomo tipo rejillas se colocan las sustancias electroactivas de acuerdo a la polaridad: Placa (-): PbSO 4 (s) Placa (+): PbO 2 (s) + PbSO 4 (s)

55 55 Un grupo de placas se conectan en paralelo y forman una celda:

56 56 Un grupo de celdas se conectan en serie y completan la batería:

57 57

58 Pilas de combustión -Reacción catódica: reducción O 2 (aire o oxígeno) ½ O 2 +2 H + +2 e - H 2 O -Reacción anódica: oxidación de - hidrógenoH 2 2H + +2e - - hidrocarburos C n H 2n+2 nCO 2 - alcoholes

59 59 Pila H 2 / O V

60 60 - Diseño y reactivos caros - Alta eficiencia - Sistema limpio - Usos especiales: Programa espacial USA (Gemini, Apolo)

61 61 Combustible H 298 º (Kcal/g) H 2 (g) C 8 H 18 (l) Ácido esteárico (s) -9.5

62 62 CLASIFICACIÓN DE LAS BATERIAS SEGÚN TAMAÑO Y USO minibaterías: 10 mWh – 2 Wh Generalmente baterías de tipo botón para marcapasos, relojes o audífonos. baterías para equipos portátiles: 2Wh – 100 Wh Radios, iluminación etc. Tipo clásico Leclanché hasta diseños modernos de Li con aumento de la densidad de energía

63 63 baterías de arranque: 300 Wh – 1.5 KWh Baterías clásicas de arranque de motores de combustión interna, sistema Pb-ácido baterías de tracción: 3KWh – 300 KWh Autoelevadores, locomotoras. Auto eléctrico. baterías estacionarias: 5KWh – 50 MWh Instalaciones de emergencia, balizas, etc.

64 64 ENERGÍA QUÍMICA ENERGÍA ELÉCTRICA Eficiencias de los procesos térmicos y electroquímicos CALOR ENERGÍA MECÁNICA CELDAS

65 65 2º Principio de la termodinámica rendimiento de un máquina térmica: rendimiento termodinámico máximo de la máquina generadora de electricidad

66 66 ¿Por qué no se utilizan celdas de combustión para producir energía eléctrica a gran escala? Desafío tecnológico no resuelto

67 67 FIN


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