Una batería alcalina (código IEC: L) es un tipo de batería primaria donde el electrolito (más comúnmente hidróxido de potasio ) tiene un valor de pH superior a 7. Normalmente, estas baterías obtienen energía de la reacción entre el metal zinc y el dióxido de manganeso .
En comparación con las baterías de zinc-carbono del tipo Leclanché o de cloruro de zinc , las baterías alcalinas tienen una mayor densidad de energía y una vida útil más prolongada , pero proporcionan el mismo voltaje.
La pila alcalina recibe su nombre porque tiene un electrolito alcalino de hidróxido de potasio (KOH) en lugar del electrolito ácido de cloruro de amonio (NH4Cl ) o cloruro de cinc (ZnCl2 ) de las pilas de cinc-carbono. Otros sistemas de pilas también utilizan electrolitos alcalinos, pero utilizan materiales activos diferentes para los electrodos.
Las pilas alcalinas representan el 80% de las pilas fabricadas en los EE. UU. y más de 10 mil millones de unidades individuales producidas en todo el mundo. En Japón, las pilas alcalinas representan el 46% de todas las ventas de pilas primarias. En Suiza, las pilas alcalinas representan el 68%, en el Reino Unido el 60% y en la UE el 47% de todas las ventas de pilas, incluidos los tipos secundarios. [1] [2] [3] [4] [5] Las pilas alcalinas contienen zinc (Zn) y dióxido de manganeso (MnO 2 ) (códigos sanitarios 1), que es una neurotoxina acumulativa y puede ser tóxica en concentraciones más altas. Sin embargo, en comparación con otros tipos de pilas, la toxicidad de las pilas alcalinas es moderada. [6]
Las pilas alcalinas se utilizan en muchos artículos domésticos, como reproductores multimedia portátiles , cámaras digitales , juguetes, linternas y radios .
Las baterías con electrolito alcalino (en lugar de ácido) fueron desarrolladas por primera vez por Waldemar Jungner en 1899 y, trabajando independientemente, por Thomas Edison en 1901. La batería seca alcalina moderna, que utiliza la química del dióxido de zinc/manganeso , fue inventada por el ingeniero canadiense Lewis Urry en la década de 1950 en Canadá antes de que comenzara a trabajar para la división Eveready Battery de Union Carbide en Cleveland, Ohio , basándose en el trabajo anterior de Edison. [7] [8] El 9 de octubre de 1957, Urry, Karl Kordesch y PA Marsal presentaron la patente estadounidense (2.960.558) para la batería alcalina. Se concedió en 1960 y se asignó a Union Carbide Corporation. [9]
Cuando se introdujeron las pilas alcalinas a finales de los años 1960, sus electrodos de zinc (al igual que las entonces omnipresentes pilas de carbono y zinc) tenían una película superficial de amalgama de mercurio . Su finalidad era controlar la acción electrolítica sobre las impurezas del zinc; esa acción electrolítica no deseada reduciría la vida útil y promovería las fugas . Cuando varias legislaturas ordenaron reducciones en el contenido de mercurio, se hizo necesario mejorar en gran medida la pureza y la consistencia del zinc. [10]
En una pila alcalina, el electrodo negativo es zinc y el electrodo positivo es dióxido de manganeso (MnO 2 ). El electrolito alcalino de hidróxido de potasio (KOH) no se consume durante la reacción (se regenera), solo se consumen el zinc y el MnO 2 durante la descarga. La concentración de electrolito alcalino de hidróxido de potasio permanece constante, ya que hay cantidades iguales de aniones OH − consumidos y producidos en las dos semirreacciones que ocurren en los electrodos .
Las dos semirreacciones son:
La reacción general (suma de las reacciones anódica y catódica) es:
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La capacidad de una pila alcalina depende en gran medida de la carga. Una pila alcalina de tamaño AA puede tener una capacidad efectiva de3000 mAh con bajo consumo, pero con una carga de1 amperio , que es común para las cámaras digitales, la capacidad podría ser tan pequeña como700 mAh . [12] El voltaje de la batería disminuye constantemente durante el uso, por lo que la capacidad utilizable total depende del voltaje de corte de la aplicación.
El voltaje nominal de una celda alcalina nueva según lo establecido por los estándares del fabricante es1,5 V. El voltaje real sin carga de una batería alcalina nueva varía entre1,50 a 1,65 V , dependiendo de la pureza del dióxido de manganeso utilizado y del contenido de óxido de zinc en el electrolito. El voltaje entregado a una carga disminuye a medida que aumenta la corriente consumida y a medida que se descarga la celda. Una celda se considera completamente descargada cuando el voltaje cae a aproximadamente0,9 V. [ 13] Las celdas conectadas en serie producen un voltaje igual a la suma de los voltajes de cada celda (por ejemplo, tres celdas generan aproximadamente 4,5 V cuando son nuevas).
La cantidad de corriente eléctrica que puede suministrar una pila alcalina es aproximadamente proporcional a su tamaño físico. Esto es el resultado de la disminución de la resistencia interna a medida que aumenta el área de superficie interna de la celda. Una regla general es que una pila alcalina AA puede suministrar700 mA sin calentamiento significativo. Las celdas más grandes, como las C y D, pueden suministrar más corriente. Las aplicaciones que requieren corrientes de varios amperios, como los equipos de audio portátiles potentes, requieren celdas de tamaño D para soportar la mayor carga.
En comparación, las baterías de iones de litio y Ni-MH pueden soportar2 amperios con facilidad en el tamaño AA estándar. [15]
Las pilas alcalinas se fabrican en formas cilíndricas estándar intercambiables con las pilas de zinc-carbono y en formas de botón. Se pueden interconectar varias celdas individuales para formar una verdadera "batería", como la pila PP3 de 9 voltios .
Una celda cilíndrica está contenida en una lata de acero inoxidable embutida , que es la conexión del cátodo . La mezcla del electrodo positivo es una pasta comprimida de dióxido de manganeso con polvo de carbono añadido para aumentar la conductividad. La pasta puede prensarse en la lata o depositarse como anillos premoldeados. El centro hueco del cátodo está revestido con un separador, que evita el contacto de los materiales del electrodo y el cortocircuito de la celda. El separador está hecho de una capa no tejida de celulosa o un polímero sintético. El separador debe conducir iones y permanecer estable en la solución electrolítica altamente alcalina.
El electrodo negativo está compuesto por una dispersión de polvo de cinc en un gel que contiene el electrolito de hidróxido de potasio. El polvo de cinc proporciona una mayor superficie para que se produzcan reacciones químicas, en comparación con una lata de metal. Esto reduce la resistencia interna de la celda. Para evitar la formación de gases en la celda al final de su vida útil, se utiliza más dióxido de manganeso del necesario para reaccionar con todo el cinc. Además, normalmente se añade una junta de plástico para aumentar la resistencia a las fugas.
Luego, la célula se envuelve en papel de aluminio , una película de plástico o, raramente, cartón, que actúa como capa final de protección contra fugas y además proporciona una superficie sobre la que se pueden imprimir logotipos y etiquetas.
En las pilas de tamaño AAA, AA, C, sub-C y D , el electrodo negativo se conecta al extremo plano y el terminal positivo es el extremo con el botón elevado. En las pilas de botón, esto suele ocurrir al revés, ya que el extremo cilíndrico de extremo plano es el terminal positivo.
Algunas pilas alcalinas están diseñadas para recargarse varias veces y se describen como pilas alcalinas recargables . Los intentos de recargar pilas alcalinas estándar pueden provocar roturas o la fuga de líquidos peligrosos que corroen el equipo. Sin embargo, se informa de que las pilas alcalinas estándar a menudo se pueden recargar varias veces (normalmente no más de diez), aunque con una capacidad reducida después de cada carga; existen cargadores disponibles comercialmente. La organización de consumidores del Reino Unido Which? informó de que probó dos de estos cargadores con pilas alcalinas Energizer y descubrió que la capacidad de las pilas se reducía en promedio al 10% de su valor original, con enormes variaciones, después de dos ciclos (sin indicar lo agotadas que estaban antes de recargarlas) después de recargarlas dos veces. [16]
En 2017, Gautam G. Yadav publicó artículos que informaban que las baterías alcalinas fabricadas intercalando capas intermedias con iones de cobre podrían recargarse durante más de 6000 ciclos debido a la capacidad teórica del segundo electrón del dióxido de manganeso. [ aclaración necesaria ] [17] [18] Se informa que la densidad de energía de estas baterías recargables con dióxido de manganeso intercalado con cobre es superior a160 Wh/L , la mejor entre las químicas basadas en agua. [18] Podría ser capaz de densidades de energía comparables a las del ion de litio (al menos250 Wh/L ) si se mejorara la utilización del zinc en las baterías. [17]
Las pilas alcalinas son propensas a perder hidróxido de potasio , un agente cáustico que puede causar irritación respiratoria, ocular y cutánea. [nota 1] El riesgo de que esto ocurra se puede reducir guardando las pilas en un lugar seco y a temperatura ambiente. El daño por fugas se mitiga quitando las pilas al guardar los dispositivos. La aplicación de corriente inversa (por ejemplo, al recargar pilas desechables o al mezclar pilas de distintos tipos o estados de carga en el mismo dispositivo) puede aumentar el riesgo de fugas. [ cita requerida ]
Todas las baterías se descargan gradualmente (estén instaladas en un dispositivo o no) y las baterías agotadas eventualmente pierden líquido. Las temperaturas extremadamente altas también pueden provocar que las baterías se rompan y tengan fugas (como en un automóvil durante el verano), además de reducir la vida útil de la batería.
La causa de las fugas es que, a medida que las baterías se descargan (ya sea por el uso o por autodescarga gradual), la química de las celdas cambia y se genera algo de gas hidrógeno. Esta liberación de gases aumenta la presión en la batería. Con el tiempo, el exceso de presión rompe los sellos aislantes en el extremo de la batería, o el recipiente metálico exterior, o ambos. Además, a medida que la batería envejece, su recipiente exterior de acero puede corroerse u oxidarse gradualmente, lo que puede contribuir aún más a la falla de contención.
Una vez que se forma una fuga debido a la corrosión de la capa exterior de acero, el hidróxido de potasio absorbe dióxido de carbono del aire para formar una estructura cristalina suave de carbonato de potasio que crece y se extiende desde la batería con el tiempo, siguiendo los electrodos de metal hasta las placas de circuito donde comienza la oxidación de las pistas de cobre y otros componentes, lo que lleva a daños permanentes en los circuitos.
Los crecimientos cristalinos con fugas también pueden surgir de las costuras alrededor de las tapas de las baterías y formar una capa peluda fuera del dispositivo que corroe cualquier objeto en contacto con el dispositivo con fugas.
Dado que las pilas alcalinas se fabricaron con menos mercurio a partir de 1996, en algunos lugares se permite desecharlas como residuos domésticos normales. Sin embargo, las pilas alcalinas más antiguas con mercurio y los demás metales pesados y productos químicos corrosivos que contienen todas las pilas (nuevas y viejas) siguen planteando problemas para su eliminación, especialmente en los vertederos. [19] [20] También está la cuestión de simplificar la eliminación de las pilas excluyéndolas todas de los residuos domésticos, de modo que las pilas más tóxicas se desvíen de los flujos de residuos generales.
La eliminación de las pilas varía según la jurisdicción. Por ejemplo, el estado de California considera que todas las pilas son residuos peligrosos cuando se desechan y ha prohibido desecharlas junto con los residuos domésticos. [21] En Europa, la eliminación de las pilas está controlada por la Directiva RAEE y las normas de la Directiva sobre pilas y, por tanto, las pilas alcalinas no deben tirarse junto con los residuos domésticos. En la UE, la mayoría de las tiendas que venden pilas están obligadas por ley a aceptar pilas viejas para reciclarlas.
El uso de pilas desechables aumenta entre un 5 y un 6 % cada año. En el pasado, las pilas usadas acababan en vertederos, pero en 2004 una normativa de la UE prohibió la eliminación de pilas alcalinas en vertederos. Los países miembros de la UE se han comprometido a reciclar el 50 % de las pilas alcalinas de aquí a 2016. Por tanto, la necesidad de reciclaje supone125.000 toneladas al año. La proporción de pilas alcalinas es de aproximadamente el 80% del total. [ cita requerida ]
En los EE. UU., solo un estado, California, exige que se reciclen todas las pilas alcalinas. Vermont también tiene un programa estatal de recolección de pilas alcalinas. [22] En otros estados de EE. UU., las personas pueden comprar kits de reciclaje de pilas que se utilizan para enviar las pilas a los recicladores. Algunas tiendas, como IKEA , también recogen pilas alcalinas para reciclarlas. Sin embargo, algunas cadenas de tiendas que anuncian el reciclaje de pilas (como Best Buy ) solo aceptan pilas recargables y, por lo general, no aceptan pilas alcalinas. [23]
Para el reciclaje, los metales de las baterías alcalinas trituradas se separan mecánicamente y la masa negra de desecho se trata químicamente para separar el zinc, el dióxido de manganeso y el hidróxido de potasio.
