Una batería de zinc-carbono (o batería de zinc-carbono en inglés estadounidense) [1] [2] [3] [4] es una batería primaria de celda seca que proporciona corriente eléctrica directa a partir de la reacción electroquímica entre el zinc (Zn) y el dióxido de manganeso ( MnO 2 ) en presencia de un electrolito de cloruro de amonio (NH 4 Cl). [5] Produce un voltaje de aproximadamente 1,5 voltios entre el ánodo de zinc , que generalmente se construye como un recipiente cilíndrico para la celda de la batería, y una varilla de carbono rodeada por un compuesto con un potencial de electrodo estándar más alto (polaridad positiva), conocido como el cátodo , que recoge la corriente del electrodo de dióxido de manganeso. El nombre "zinc-carbono" es ligeramente engañoso ya que implica que el carbono actúa como agente oxidante en lugar del dióxido de manganeso.
Las baterías de uso general pueden utilizar una pasta acuosa ácida de cloruro de amonio (NH 4 Cl) como electrolito, con un poco de solución de cloruro de zinc en un separador de papel para actuar como lo que se conoce como puente salino . Los de alta resistencia utilizan una pasta compuesta principalmente de cloruro de zinc (ZnCl 2 ).
Las baterías de zinc-carbono fueron las primeras baterías secas comerciales, desarrolladas a partir de la tecnología de la celda húmeda de Leclanché . Hicieron posibles las linternas y otros dispositivos portátiles, porque la batería proporcionaba una mayor densidad de energía a un costo menor que las celdas disponibles anteriormente. Siguen siendo útiles en dispositivos de bajo consumo o de uso intermitente como controles remotos , linternas, relojes o radios de transistores . Las pilas secas de zinc-carbono son pilas primarias de un solo uso . Hoy en día, las baterías de zinc-carbono han sido reemplazadas en su mayoría por baterías alcalinas, más eficientes y seguras .
En 1876, la celda húmeda de Leclanché se fabricaba con un bloque comprimido de dióxido de manganeso. En 1886, Carl Gassner patentó una versión "seca" utilizando una carcasa hecha de chapa de zinc como ánodo y una pasta de yeso de París (y más tarde, polvo de grafito ). [6]
En 1898, Conrad Hubert utilizó baterías de consumo fabricadas por WH Lawrence para alimentar la que fue la primera linterna , y posteriormente los dos formaron Eveready Battery Company . En 1900, Gassner hizo una demostración de pilas secas para iluminación portátil en la Exposición Universal de París . Se realizaron mejoras continuas en la estabilidad y capacidad de las celdas de zinc-carbono a lo largo del siglo XX; a finales de siglo, las capacidades se habían cuadriplicado con respecto al equivalente de 1910. [7] Las mejoras incluyen el uso de grados más puros de dióxido de manganeso, la adición de polvo de grafito al dióxido de manganeso para reducir la resistencia interna , un mejor sellado y zinc más puro para el electrodo negativo. Las celdas de cloruro de zinc (generalmente comercializadas como baterías de "trabajo pesado") utilizan una mayor concentración de anolito (o electrolito de ánodo) que se compone principalmente de cloruro de zinc, que puede producir una salida de voltaje más constante en aplicaciones de alto consumo.
Las reacciones secundarias entre las impurezas en el ánodo de zinc metálico/cloruro de zinc y el electrolito de cloruro de amonio pueden aumentar la tasa de autodescarga y promover la corrosión de la celda. [5] Antiguamente, el zinc se recubría con mercurio (Hg) para formar una amalgama , protegiéndolo. Dado que se trata de un peligro para el medio ambiente, las baterías de producción actual ya no utilizan mercurio. Los fabricantes ahora deben utilizar zinc más purificado para evitar la acción local y la autodescarga. [7]
En 2011, [actualizar]las baterías de zinc-carbono representaban el 20% de todas las baterías portátiles en el Reino Unido y el 18% en la UE [8] [9] [10] [11]
El contenedor de la celda seca de zinc-carbono es una lata de zinc (ánodo). El fondo y los lados de la lata contienen una capa separadora de papel que está impregnada con cloruro de amonio ( NH 4 Cl ) junto con un agente espesante para formar una pasta electrolítica acuosa. El separador de papel evita que se forme un cortocircuito al proteger la lata de zinc para que no entre en contacto con el cátodo, que es una mezcla de carbón en polvo (generalmente polvo de grafito ) y óxido de manganeso (IV) ( MnO 2 ), que se empaqueta alrededor de un carbón. vara. [5] El carbono es el único material conductor práctico porque todos los metales comunes se corroen rápidamente en el electrodo positivo cuando están en presencia de un electrolito a base de sal. [ cita necesaria ]
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Los primeros tipos, y las células de bajo coste, utilizan un separador formado por una capa de almidón o harina . En las células modernas se utiliza una capa de papel recubierto de almidón, que es más fina y permite utilizar más dióxido de manganeso. Originalmente, las celdas se sellaban con una capa de asfalto para evitar que el electrolito se secara; más recientemente, se utiliza un sello de arandela termoplástico para ayudar a prevenir fugas , así como para contener cualquier presión interna que pueda formarse como resultado de la acumulación de gas hidrógeno durante la descarga. La varilla de carbono es ligeramente porosa, lo que permite que más átomos de hidrógeno cargados se combinen formando gas hidrógeno. [5] La proporción de dióxido de manganeso y polvo de carbono en la pasta del cátodo afecta las características de la celda: más polvo de carbono reduce la resistencia interna , mientras que más dióxido de manganeso mejora la capacidad de almacenamiento. [7]
Las celdas planas están hechas para ensamblarse en baterías con voltajes más altos, hasta aproximadamente 450 voltios. Se apilan celdas planas y todo el conjunto se recubre con cera para evitar la evaporación del electrolito . Los electrones fluyen del ánodo al cátodo a través del cable del dispositivo conectado. [12]
Las baterías de zinc-carbono tienen un costo unitario más bajo y a menudo se usan como energía para electrodomésticos que consumen poca energía, como controles remotos de televisión, relojes y detectores de humo . Las baterías de zinc-carbono eran de uso común con los teléfonos magnéticos de manivela , que alimentaban el micrófono y el altavoz.
En una celda seca de zinc-carbono, el contenedor exterior de zinc es el terminal cargado negativamente.
El zinc es oxidado por el portador de carga , el anión cloruro (Cl − ) en ZnCl 2 , mediante las siguientes semirreacciones :
Ánodo (reacción de oxidación, marcado -)
Cátodo (reacción de reducción, marcada +)
Son posibles otras reacciones secundarias, pero la reacción general en una celda de zinc-carbono se puede representar como
Si se sustituye cloruro de zinc por cloruro de amonio como electrolito, la reacción del ánodo sigue siendo la misma:
y la reacción catódica produce hidróxido de zinc y óxido de manganeso (III) .
dando la reacción general
La batería tiene una fuerza electromotriz (fem) de aproximadamente 1,5 V. La naturaleza aproximada de la fem está relacionada con la complejidad de la reacción catódica. La reacción del ánodo (zinc) es comparativamente simple y tiene un potencial conocido. Las reacciones secundarias y el agotamiento de los químicos activos aumentan la resistencia interna de la batería, lo que hace que el voltaje del terminal caiga bajo carga.
La celda de cloruro de zinc, frecuentemente denominada batería de servicio pesado , servicio extra-pesado , servicio súper-pesado o batería de servicio súper-extra-pesado , es una mejora con respecto a la celda de zinc-carbono original, que utiliza materiales más puros. productos químicos y brinda una vida útil más larga y una salida de voltaje más estable a medida que se usa y ofrece aproximadamente el doble de vida útil de las celdas de zinc-carbono de uso general, o hasta cuatro veces en aplicaciones de uso continuo o de alto consumo. [7] Sin embargo, esto sigue siendo una fracción de la producción de una pila alcalina.
Las baterías alcalinas [13] ofrecen hasta ocho veces más duración que las baterías de zinc-carbono, [14] especialmente en aplicaciones de uso continuo o de alto consumo. [7]
Los fabricantes recomiendan almacenar las baterías de zinc-carbono a temperatura ambiente; el almacenamiento a temperaturas más altas reduce la vida útil esperada . [1] Las baterías de zinc-carbono se pueden congelar sin sufrir daños; Los fabricantes recomiendan que se devuelvan a la temperatura ambiente normal antes de su uso y que se debe evitar la condensación en la cubierta de la batería. A finales del siglo XX, la vida útil de almacenamiento de las celdas de zinc-carbono se había cuadriplicado con respecto a la vida esperada en 1910. [7]
Las celdas de zinc-carbono tienen una vida útil corta , ya que el zinc es atacado por el cloruro de amonio. El recipiente de zinc se vuelve más delgado a medida que se utiliza la celda, porque el zinc metálico se oxida a iones de zinc. Cuando la carcasa de zinc se adelgaza lo suficiente, el cloruro de zinc comienza a salir de la batería. La vieja pila seca no es a prueba de fugas y se vuelve muy pegajosa cuando la pasta se escapa a través de los agujeros de la caja de zinc. La carcasa de zinc de la pila seca se vuelve más delgada incluso cuando la pila no se utiliza, porque el cloruro de amonio dentro de la batería reacciona con el zinc. Desde la década de 1960 no se ha fabricado una forma "de adentro hacia afuera" con una copa de carbono y paletas de zinc en el interior, aunque es más resistente a las fugas. [7]
Esta imagen muestra el contenedor de zinc de baterías nuevas en (a) y baterías descargadas en (b) y (c). La batería que se muestra en (c) tenía una película protectora de polietileno (en su mayor parte quitada en la foto) para mantener el óxido de zinc dentro de la carcasa.
La eliminación varía según la jurisdicción. Por ejemplo, en EE. UU., el estado de California considera todas las baterías como desechos peligrosos cuando se desechan y ha prohibido su eliminación junto con otros desechos domésticos . [15] En Europa, la eliminación de baterías está controlada por las regulaciones de la Directiva WEEE y la Directiva de baterías y, como tales, las baterías de zinc-carbono no deben desecharse con la basura doméstica. En la UE, la mayoría de las tiendas que venden baterías están obligadas por ley a aceptar baterías viejas para su reciclaje .
