¿Cómo Funcionan Las Baterías?

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Una mirada a la ciencia detrás de las baterías, incluidas las partes de una batería y cómo estas partes funcionan juntas para producir una corriente eléctrica que se puede llevar en el bolsillo.

Las baterías están en todas partes. El mundo moderno depende de estas fuentes portátiles de energía, que se encuentran en todo, desde dispositivos móviles hasta audífonos y automóviles.

Pero a pesar de su prevalencia en la vida cotidiana de las personas, las baterías a menudo pasan desapercibidas. Piénsalo: ¿Sabes realmente cómo funciona una batería? ¿Podría explicárselo a alguien más?

He aquí un resumen de la ciencia detrás de la fuente de energía que alimenta a los teléfonos inteligentes, los coches eléctricos, los marcapasos y mucho más. [Cuestionario: Vehículos eléctricos vs. gas]

Anatomia de una bateria

La mayoría de las baterías contienen tres partes básicas: electrodos, un electrolito y un separador, según Ann Marie Sastry, cofundadora y directora general de Sakti3, una empresa emergente de tecnología de baterías con sede en Michigan.

Hay dos electrodos en cada batería. Ambos están hechos de materiales conductores, pero tienen diferentes roles. Un electrodo, conocido como el cátodo, se conecta al extremo positivo de la batería y es donde la corriente eléctrica deja (o los electrones entran) la batería durante la descarga, que es cuando la batería se está utilizando para alimentar algo. El otro electrodo, conocido como el ánodo, se conecta al extremo negativo de la batería y es donde la corriente eléctrica ingresa (o los electrones salen) de la batería durante la descarga.

Entre estos electrodos, así como dentro de ellos, se encuentra el electrolito. Esta es una sustancia líquida o similar a un gel que contiene partículas cargadas eléctricamente o iones. Los iones se combinan con los materiales que componen los electrodos, produciendo reacciones químicas que permiten que una batería genere una corriente eléctrica. [Aspecto interior de cómo funcionan las baterías (infografía)]

></p><figcaption><p>Las baterías típicas son alimentadas por una reacción química. [Ver infografía completa]</p>Crédito: por Karl Tate, artista de infografías. </figcaption> </figure><p>La parte final de la batería, el separador, es bastante sencilla. La función del separador es mantener el ánodo y el cátodo separados entre sí dentro de la batería. Sin un separador, los dos electrodos entrarían en contacto, lo que crearía un cortocircuito y evitaría que la batería funcionara correctamente, explicó Sastry.</p><h2 id=Cómo funciona

Para imaginar cómo funciona una batería, imagínese colocando pilas alcalinas, como dobles AA, en una linterna. Cuando pones esas pilas en la linterna y luego la enciendes, lo que realmente estás haciendo es completar un circuito. La energía química almacenada en la batería se convierte en energía eléctrica, que sale de la batería a la base de la bombilla de la linterna y hace que se encienda. Luego, la corriente eléctrica vuelve a entrar en la batería, pero en el extremo opuesto de donde salió originalmente.

Todas las partes de la batería funcionan juntas para hacer que la linterna se encienda. Los electrodos en la batería contienen átomos de ciertos materiales conductores. Por ejemplo, en una batería alcalina, el ánodo generalmente está hecho de zinc y el dióxido de manganeso actúa como el cátodo. Y el electrolito entre y dentro de esos electrodos contiene iones. Cuando estos iones se encuentran con los átomos de los electrodos, ciertas reacciones electroquímicas tienen lugar entre los iones y los átomos de los electrodos.

Las series de reacciones químicas que ocurren en los electrodos se conocen colectivamente como reacciones de oxidación-reducción (redox). En una batería, el cátodo se conoce como el agente oxidante porque acepta electrones del ánodo. El ánodo es conocido como el agente reductor, porque pierde electrones.

En última instancia, estas reacciones dan como resultado el flujo de iones entre el ánodo y el cátodo, así como la liberación de electrones de los átomos del electrodo, dijo Sastry.

Estos electrones libres se congregan dentro del ánodo (la parte inferior, plana de una batería alcalina). Como resultado, los dos electrodos tienen diferentes cargas: el ánodo se carga negativamente a medida que se liberan los electrones, y el cátodo se carga positivamente a medida que se consumen los electrones (que están cargados negativamente). Esta diferencia en la carga hace que los electrones quieran moverse hacia el cátodo cargado positivamente. Sin embargo, no tienen una forma de llegar dentro de la batería porque el separador les impide hacerlo.

Cuando enciendes el interruptor de tu linterna, todo eso cambia. Los electrones ahora tienen un camino para llegar al cátodo. Pero primero, tienen que pasar a través de la base de la bombilla de tu linterna. El circuito se completa cuando la corriente eléctrica vuelve a entrar en la batería a través de la parte superior de la batería en el cátodo.

Recargable vs. no recargable

Para las baterías primarias, como las de una linterna, las reacciones que alimentan la batería finalmente dejarán de suceder, lo que significa que los electrones que proporcionan la carga a la batería ya no crearán una corriente eléctrica. Cuando esto sucede, la batería está descargada o "muerta", dijo Sastry.

Tienes que tirar esas baterías porque los procesos electroquímicos que hicieron que la batería produzca energía no se pueden revertir, explicó Sastry. Sin embargo, los procesos electroquímicos que ocurren dentro de las baterías secundarias o recargables pueden invertirse al proporcionar energía eléctrica a la batería. Por ejemplo, esto sucede cuando conecta la batería de su teléfono celular a un cargador conectado a una fuente de alimentación.

Algunas de las baterías secundarias más comunes en uso hoy en día son las baterías de ión litio (Li-ion), que alimentan la mayoría de los dispositivos electrónicos de consumo.Estas baterías contienen típicamente un ánodo de carbono, un cátodo hecho de dióxido de litio cobalto y un electrolito que contiene una sal de litio en un solvente orgánico. Otras baterías recargables incluyen baterías de níquel-cadmio (NiCd) e hidruro de níquel-metal (NiMH), que se pueden usar en vehículos eléctricos y herramientas eléctricas inalámbricas. Las baterías de plomo-ácido (Pb-ácido) se usan comúnmente para impulsar autos y otros vehículos para el arranque, la iluminación y el encendido.

Todas estas baterías recargables operan bajo el mismo principio, dijo Sastry: Cuando conectas la batería a una fuente de alimentación, el flujo de electrones cambia de dirección y el ánodo y el cátodo vuelven a sus estados originales. [Top 10 tecnologías disruptivas]

Jerga de la batería

Aunque todas las baterías funcionan más o menos de la misma manera, diferentes tipos de baterías tienen características diferentes. Aquí hay algunos términos que aparecen a menudo en cualquier discusión sobre baterías:

voltajeSegún Sastry, cuando se trata de baterías, el voltaje, también conocido como voltaje de celda nominal, describe la cantidad de fuerza eléctrica o presión a la que los electrones libres pasan del extremo positivo de la batería al extremo negativo. En baterías de bajo voltaje, una corriente se mueve más lentamente (con menos fuerza eléctrica) fuera de la batería que en una batería con un voltaje más alto (más fuerza eléctrica). Las baterías en una linterna típicamente tienen un voltaje de 1.5 voltios. Sin embargo, si una linterna usa dos baterías en una serie, estas baterías, o celdas, tienen un voltaje combinado de 3 voltios.

Las baterías de plomo-ácido, como las que se usan en la mayoría de los autos no eléctricos, generalmente tienen un voltaje de 2.0 voltios. Pero usualmente hay seis de estas celdas conectadas en serie en una batería de automóvil, por lo que es probable que haya escuchado tales baterías denominadas baterías de 12 voltios.

Las baterías de óxido de litio-cobalto, el tipo más común de batería de ion de litio que se encuentra en la electrónica de consumo, tienen un voltaje nominal de alrededor de 3.7 voltios, dijo Sastry.

Amperios: Un amplificador, o amperio, es una medida de la corriente eléctrica, o el número de electrones que fluyen a través de un circuito dentro de un marco de tiempo particular.

Capacidad: La capacidad, o capacidad de la celda, se mide en amperios-hora, que es el número de horas que la batería puede suministrar una cantidad particular de corriente eléctrica antes de que su voltaje caiga por debajo de un cierto umbral, según un post de la ingeniería eléctrica y de computadoras de la Universidad de Rice Departamento.

Una batería alcalina de 9 voltios, la que se usa en radios portátiles, tiene una capacidad nominal de 1 amperio-hora, lo que significa que esta batería puede suministrar continuamente un amperio de corriente durante 1 hora antes de que alcance el umbral de voltaje y se considere agotada.

Densidad de poder: La densidad de potencia describe la cantidad de energía que una batería puede entregar por unidad de peso, dijo Sastry. Para los vehículos eléctricos, la densidad de potencia es importante porque le dice a qué velocidad puede acelerar el automóvil de 97 km / h (0 a 60 mph), dijo Sastry. Los ingenieros están constantemente tratando de encontrar maneras de hacer que las baterías sean más pequeñas sin disminuir su densidad de potencia.

Densidad de energia: La densidad de energía describe la cantidad de energía que una batería puede entregar, dividida por el volumen o la masa de la batería, dijo Sastry. Este número corresponde a cosas que tienen un gran impacto en los usuarios, como el tiempo que debe pasar antes de cargar su teléfono celular o la distancia que puede conducir su automóvil eléctrico antes de detenerse para enchufarlo.

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Recursos adicionales

  • IEEE Standards Association: estándares de batería
  • Agencia de Protección Ambiental: Conservación de Recursos - Baterías
  • All-Battery.com: Tabla de tallas


Suplemento De Vídeo: ¿Cómo funciona una batería?.




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