Una celda electroquímica es un dispositivo que genera energía eléctrica a partir de reacciones químicas. También se puede aplicar energía eléctrica a estas células para provocar reacciones químicas. [1] Las celdas electroquímicas que generan una corriente eléctrica se denominan celdas voltaicas o galvánicas y las que generan reacciones químicas, vía electrólisis por ejemplo, se denominan celdas electrolíticas . [2]
Se puede considerar que tanto las celdas galvánicas como las electrolíticas tienen dos medias celdas : que consisten en reacciones separadas de oxidación y reducción.
Cuando una o más celdas electroquímicas se conectan en paralelo o en serie forman una batería . Las celdas primarias son baterías de un solo uso.
Una celda galvánica (celda voltaica) que lleva el nombre de Luigi Galvani ( Alessandro Volta ) es una celda electroquímica que genera energía eléctrica a partir de reacciones redox espontáneas . [3]
Un cable conecta dos metales diferentes (por ejemplo, zinc y cobre). Cada metal está en una solución separada; a menudo las formas acuosas de sulfato o nitrato del metal, pero más generalmente sales metálicas y agua que conducen la corriente. [4] Un puente salino o membrana porosa conecta las dos soluciones, manteniendo la neutralidad eléctrica y evitando la acumulación de carga. Las diferencias del metal en el potencial de oxidación/reducción impulsan la reacción hasta el equilibrio. [1]
Características clave:
Las celdas galvánicas constan de dos medias celdas. Cada media celda consta de un electrodo y un electrolito (ambas medias celdas pueden usar electrolitos iguales o diferentes).
Las reacciones químicas en la celda involucran el electrolito, los electrodos y/o una sustancia externa ( las celdas de combustible pueden usar gas hidrógeno como reactivo). En una celda electroquímica completa, las especies de una media celda pierden electrones ( oxidación ) en su electrodo, mientras que las especies de la otra media celda ganan electrones ( reducción ) de su electrodo.
Se utiliza un puente salino (p. ej., papel de filtro empapado en KNO 3, NaCl o algún otro electrolito) para conectar iónicamente dos medias celdas con diferentes electrolitos, pero evita que las soluciones se mezclen y se produzcan reacciones secundarias no deseadas. Una alternativa a un puente salino es permitir el contacto directo (y la mezcla) entre las dos medias celdas, por ejemplo en la electrólisis simple del agua .
A medida que los electrones fluyen de una media celda a la otra a través de un circuito externo, se establece una diferencia de carga. Si no se proporcionara ningún contacto iónico, esta diferencia de carga impediría rápidamente un mayor flujo de electrones. Un puente salino permite que el flujo de iones negativos o positivos mantenga una distribución de carga en estado estable entre los recipientes de oxidación y reducción, manteniendo al mismo tiempo los contenidos separados. Otros dispositivos para lograr la separación de soluciones son recipientes porosos y soluciones gelificadas. En la celda de Bunsen se utiliza un recipiente poroso .
Cada media celda tiene un voltaje característico (dependiendo del metal y de su potencial de reducción característico). Cada reacción sufre una reacción de equilibrio entre diferentes estados de oxidación de los iones: cuando se alcanza el equilibrio, la celda no puede proporcionar más voltaje. En la media celda que realiza la oxidación, cuanto más cerca esté el equilibrio del ion/átomo con el estado de oxidación más positivo, más potencial proporcionará esta reacción. [1] Del mismo modo, en la reacción de reducción, cuanto más cerca esté el equilibrio del ion/átomo con el estado de oxidación más negativo , mayor será el potencial.
El potencial de la celda se puede predecir mediante el uso de potenciales de electrodos (los voltajes de cada media celda). Estos potenciales de media celda se definen en relación con la asignación de 0 voltios al electrodo de hidrógeno estándar (SHE). (Ver tabla de potenciales de electrodos estándar ). La diferencia de voltaje entre los potenciales de los electrodos proporciona una predicción del potencial medido. Al calcular la diferencia de voltaje, primero se deben reescribir las ecuaciones de reacción de media celda para obtener una ecuación de oxidación-reducción equilibrada.
Los potenciales de las celdas tienen un rango posible de aproximadamente cero a 6 voltios. Las celdas que utilizan electrolitos a base de agua generalmente están limitadas a potenciales de celda inferiores a aproximadamente 2,5 voltios debido a la alta reactividad de los poderosos agentes oxidantes y reductores con el agua que se necesita para producir un voltaje más alto. Es posible obtener potenciales celulares más altos cuando las células utilizan otros disolventes en lugar de agua. Por ejemplo, habitualmente se encuentran disponibles pilas de litio con un voltaje de 3 voltios.
El potencial celular depende de la concentración de los reactivos, así como de su tipo. A medida que la celda se descarga, la concentración de los reactivos disminuye y el potencial de la celda también disminuye.
Una celda electrolítica es una celda electroquímica en la que la energía eléctrica aplicada impulsa una reacción redox no espontánea . [5]
Suelen utilizarse para descomponer compuestos químicos, en un proceso llamado electrólisis . (La palabra griega "lisis" (λύσις) significa "desatar" o "liberar".)
Ejemplos importantes de electrólisis son la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno , y de la bauxita en aluminio y otras sustancias químicas. La galvanoplastia (por ejemplo, de cobre, plata, níquel o cromo) se realiza mediante una celda electrolítica. La electrólisis es una técnica que utiliza una corriente eléctrica continua (CC).
Los componentes de una celda electrolítica son:
Cuando son impulsados por un voltaje externo (diferencia de potencial) aplicado a los electrodos, los iones en el electrolito son atraídos hacia el electrodo con el potencial opuesto, donde pueden tener lugar reacciones de transferencia de carga (también llamadas faradaicas o redox). Sólo con un voltaje externo suficiente una celda electrolítica puede descomponer un compuesto químico normalmente estable o inerte en la solución. Así, la energía eléctrica proporcionada produce una reacción química que de otro modo no ocurriría espontáneamente.
Características clave:
Una celda primaria produce corriente mediante reacciones químicas irreversibles (por ejemplo, pequeñas baterías desechables) y no es recargable.
Se utilizan por su portabilidad, bajo costo y corta vida útil.
Las celdas primarias se fabrican en una variedad de tamaños estándar para alimentar pequeños electrodomésticos, como linternas y radios portátiles.
A medida que se desarrollan reacciones químicas en una celda primaria, la batería consume los químicos que generan la energía; cuando se acaban, la batería deja de producir electricidad.
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Las baterías primarias representan alrededor del 90% del mercado de baterías de 50 mil millones de dólares, pero las baterías secundarias han ido ganando participación de mercado. Cada año se desechan alrededor de 15 mil millones de baterías primarias en todo el mundo [6] , y prácticamente todas terminan en vertederos. Debido a los metales pesados tóxicos y los ácidos o álcalis fuertes que contienen, las baterías son residuos peligrosos . La mayoría de los municipios los clasifican como tales y exigen su eliminación por separado. La energía necesaria para fabricar una batería es unas 50 veces mayor que la energía que contiene. [7] [8] [9] [10] Debido a su alto contenido de contaminantes en comparación con su pequeño contenido de energía, la batería primaria se considera una tecnología derrochadora y perjudicial para el medio ambiente. Debido principalmente al aumento de las ventas de dispositivos inalámbricos y herramientas inalámbricas , que no pueden funcionar económicamente con baterías primarias y vienen con baterías recargables integrales, la industria de baterías secundarias tiene un gran crecimiento y ha ido reemplazando lentamente la batería primaria en productos de alta gama.
Una celda secundaria produce corriente mediante reacciones químicas reversibles (por ejemplo, batería de automóvil con batería de plomo-ácido ) y es recargable.
Las baterías de plomo-ácido se utilizan en un automóvil para arrancar el motor y hacer funcionar los accesorios eléctricos del automóvil cuando el motor no está en marcha. El alternador, una vez el coche está en marcha, recarga la batería.
Puede funcionar como celda galvánica y como celda electrolítica. Es una manera conveniente de almacenar electricidad: cuando la corriente fluye en una dirección, los niveles de una o más sustancias químicas se acumulan (se cargan); mientras se descarga, se reducen y la fuerza electromotriz resultante puede realizar trabajo.
Se utilizan por su alto voltaje, bajos costos, confiabilidad y larga vida útil.
Una pila de combustible es una celda electroquímica que hace reaccionar el combustible de hidrógeno con oxígeno u otro agente oxidante para convertir la energía química en electricidad.
Las pilas de combustible se diferencian de las baterías en que requieren una fuente continua de combustible y oxígeno (normalmente del aire) para mantener la reacción química, mientras que en una batería la energía química proviene de sustancias químicas que ya están presentes en la batería.
Las pilas de combustible pueden producir electricidad de forma continua mientras se suministre combustible y oxígeno.
Se utilizan como energía primaria y de respaldo para edificios comerciales, industriales y residenciales y en áreas remotas o inaccesibles. También se utilizan para propulsar vehículos de pila de combustible , incluidos montacargas, automóviles, autobuses, barcos, motocicletas y submarinos.
Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito que utilizan y por la diferencia en el tiempo de arranque, que va desde 1 segundo para las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (pilas de combustible PEM, o PEMFC) hasta 10 minutos para las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). .
Existen muchos tipos de pilas de combustible, pero todas constan de:
Una tecnología relacionada son las baterías de flujo , en las que el combustible se puede regenerar mediante recarga. Las celdas de combustible individuales producen potenciales eléctricos relativamente pequeños, alrededor de 0,7 voltios, por lo que las celdas se "apilan" o se colocan en serie para crear suficiente voltaje para cumplir con los requisitos de una aplicación. [11] Además de electricidad, las pilas de combustible producen agua, calor y, dependiendo de la fuente de combustible, cantidades muy pequeñas de dióxido de nitrógeno y otras emisiones. La eficiencia energética de una pila de combustible se sitúa generalmente entre el 40 y el 60%; sin embargo, si el calor residual se captura en un sistema de cogeneración , se pueden obtener eficiencias de hasta el 85%.
En 2022, se estimó que el mercado mundial de pilas de combustible ascendería a 6.300 millones de dólares y se espera que aumente un 19,9% para 2030. [12] Muchos países están intentando ingresar al mercado estableciendo objetivos de GW de energía renovable. [13]
Fabricar una batería desechable requiere aproximadamente 50 veces más energía de la que proporciona la batería cuando se usa.
