Cómo funcionan las baterías recargables

Publicado el 30 octubre, 2020 por Rodrigo Ricardo

Baterías en todas partes

Digamos que es lunes por la mañana. Cuando Fred se despertó, rápidamente se dio cuenta de que la batería de su reloj despertador se había agotado y que llegaría tarde al trabajo. Decide llamar a su jefe para informarle. Justo cuando la conexión estaba a punto de establecerse, la batería de su teléfono también se agota. Rápidamente conecta el teléfono a un cargador y afortunadamente puede conectarse con su jefe, pero quince minutos más tarde, Fred está en su auto eléctrico tratando de encenderlo… pero nuevamente, la batería le falla. Por alguna razón, se olvidó de cargarlo la noche anterior. Fred finalmente logra llegar al trabajo en su bicicleta, pero eso no lo hace menos estresado o cansado.

Al igual que Fred, nuestra vida diaria se ha vuelto muy dependiente de muchos dispositivos que funcionan con baterías, como teléfonos celulares, computadoras portátiles, linternas, automóviles eléctricos e incluso dispositivos médicos, solo por nombrar algunos. Las baterías, especialmente las recargables, se han convertido en nuestras compañeras diarias. Atrás quedaron los días en que teníamos que comprar baterías nuevas cada vez que dejaba de funcionar. Imagínese comprar una batería nueva cada vez que su teléfono celular deja de funcionar. Una batería recargable es una batería que se puede recargar y usar muchas veces y se conoce como celda secundaria. Gaston Planté, un médico francés, desarrolló la primera batería recargable del mundo en el año 1859.

Componentes de una batería

Una batería es una celda electroquímica o una serie de celdas que involucran reacciones electroquímicas redox llamadas oxidación y reducción. La oxidación es un proceso en el que una sustancia que participa en una reacción química pierde uno o más electrones. Este proceso de oxidación da como resultado un aumento de la carga total de la sustancia. Por otro lado, la reducción es un proceso en el que una sustancia que participa en una reacción química gana uno o más electrones. Este proceso de reducción da como resultado una disminución de la carga total de la sustancia. Un mnemónico que se usa a menudo para recordar la oxidación y la reducción es OIL RIG :

O xidation I S sobre L oss de electrones y R educción I S sobre G ain de electrones

Una celda electroquímica consta de tres partes principales que incluyen dos electrodos (el ánodo y el cátodo) y un electrolito. El ánodo , o electrodo negativo, es generalmente un metal o una aleación de algún tipo. El cátodo , o electrodo positivo, suele ser un óxido metálico o un sulfuro. Los electrodos son conductores de electricidad pero nunca están hechos de los mismos materiales conductores. El electrolito es un conductor iónico que separa los dos electrodos. Es un medio a través del cual se produce la transferencia de iones entre el ánodo y el cátodo. El ácido sulfúrico es un electrolito común que se encuentra en las baterías recargables.


Representación de una batería
nulo.

El proceso de alta

Para volver a nuestro ejemplo inicial, Fred no pudo hablar con su jefe en su primer intento porque la batería de su teléfono ya estaba descargada. Durante la descarga, la batería funciona como una celda galvánica, donde la energía química se convierte en energía eléctrica.


El proceso de descarga en una batería
La descarga de una batería.

Los iones en el electrolito reaccionan con los átomos en el ánodo, y esto da como resultado la acumulación de electrones, lo que hace que el ánodo se cargue negativamente. En el cátodo, las reacciones químicas con los electrolitos hacen que los electrones se agoten y, como resultado, el cátodo se vuelva positivo. Por tanto, tenemos demasiados electrones en el ánodo y falta de electrones en el cátodo. Los electrones tenderán a moverse desde el sitio negativo de mayor potencial al sitio positivo de menor potencial, que es de ánodo a cátodo. Tendremos la tentación de decir que el movimiento de electrones ocurrirá directamente de ánodo a cátodo dentro de la celda, pero el electrolito actúa como una barrera. Entonces, ¿cómo se moverán los electrones? Esto solo se puede hacer usando un circuito externo conectando un cable eléctrico externamente entre el ánodo y el cátodo. El ánodo sufre oxidación, ya que hay pérdida de electrones, mientras que el cátodo sufre reducción, donde hay una ganancia de electrones. También hay un flujo de iones negativos desde el sitio de reducción al sitio de oxidación, a través del electrolito.

El proceso de recarga

¿Recuerda nuestro primer ejemplo que Fred finalmente pudo hablar con su jefe después de cargar la batería de su teléfono enchufándolo? Aquí, los procesos de oxidación y reducción que ocurrieron durante la descarga ahora se invierten para que la energía eléctrica se convierta nuevamente en energía química.


El proceso de carga en una batería
nulo.

Durante la carga, la batería funciona como una celda electrolítica. Cuando la celda está conectada a una fuente de energía externa, los electrones en el cátodo se ven obligados a fluir de regreso al ánodo. Hay movimiento de electrones desde una fuente de energía externa al ánodo. Por otro lado, los electrones se eliminan del cátodo.

Una vez más, los electrones se unen al ion en el ánodo, lo que permite recargar la batería. Cuando la batería está completamente cargada, hay un excedente de electrones en el ánodo, lo que le da una carga negativa, y un déficit en el cátodo, lo que le da una carga positiva, lo que resulta en una diferencia de potencial en la celda.

Factores que afectan la vida útil de la batería

Veamos los tres factores principales que pueden afectar la vida útil de una batería recargable.

1. Temperatura

Después del famoso incidente del lunes, Fred decidió mantener las baterías en el congelador cuando no las esté usando. No te preocupes, ¡no se ha vuelto completamente loco! Las velocidades de reacción química aumentan con la temperatura. Esto significa que a temperaturas más bajas, las tasas de autodescarga de las baterías disminuyen.

2. Vida cíclica

Las baterías recargables no duran para siempre. Una batería completa un ciclo cuando se carga y descarga una vez. Con el tiempo, la repetición de este proceso provoca imperfecciones e irregularidades en la superficie del metal, impidiendo así que se oxide adecuadamente. Los electrones ya no están disponibles para fluir a través de un circuito y la batería se agota. Las baterías más nuevas pueden durar miles de ciclos de carga.

3. Sobrecarga

La sobrecarga puede dañar los electrodos y reducir el ciclo de vida. Los cargadores inteligentes se pueden utilizar para saber cuándo la batería está llena y dejar de cargar.

Resumen de la lección

Dediquemos unos minutos a repasar lo que hemos aprendido.

Una batería recargable , o batería secundaria, es una batería que se puede recargar y usar muchas veces. La carga y descarga de baterías implica la química redox en la que la oxidación es el proceso en el que una sustancia que participa en una reacción química pierde uno o más electrones, y la reducción es el proceso en el que una sustancia que participa en una reacción química gana uno o más electrones. También recapitulamos los componentes de una batería, que incluyen el ánodo o electrodo negativo; y el cátodo o electrodo positivo; y el electrolito , que es un conductor iónico que separa los dos electrodos.

La descarga de una batería implica la conversión de energía química en energía eléctrica. Hay movimiento de electrones a través de un circuito externo desde el ánodo (el electrodo negativo) al cátodo (el electrodo positivo). La oxidación ocurre en el ánodo, mientras que la reducción ocurre en el cátodo.

La recarga de una batería implica la conversión de energía eléctrica en energía química. Durante la recarga, hay un movimiento de electrones desde una fuente de energía externa al ánodo y, por otro lado, los electrones se eliminan del cátodo.

Finalmente aprendimos que la vida útil de una batería depende de la temperatura a la que se usa; su vida cíclica en la que un ciclo es cuando se carga y descarga una vez; y si se está cobrando de más o no.

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