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 contenedor 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 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 ( NH4Cl ) como electrolito, con un poco de solución de cloruro de cinc sobre un separador de papel que actúa como lo que se conoce como puente salino . Los tipos de uso intensivo utilizan una pasta compuesta principalmente de cloruro de cinc (ZnCl2 ) .
Las pilas de zinc-carbono fueron las primeras pilas secas comerciales, desarrolladas a partir de la tecnología de la pila húmeda de Leclanché . Hicieron posible la fabricación de linternas y otros dispositivos portátiles, porque la pila proporcionaba una mayor densidad de energía a un menor coste que las pilas disponibles anteriormente. Todavía son útiles en dispositivos de bajo consumo o de uso intermitente, como mandos a distancia , linternas, relojes o radios a transistores . Las pilas secas de zinc-carbono son pilas primarias de un solo uso . En la actualidad, las pilas de zinc-carbono han sido sustituidas en su mayoría por las pilas alcalinas, más eficientes y seguras .
En 1876, la celda húmeda de Leclanché se fabricó con un bloque comprimido de dióxido de manganeso. En 1886, Carl Gassner patentó una versión "seca" utilizando una carcasa 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 lo que fue la primera linterna , y posteriormente los dos formaron la Eveready Battery Company . En 1900, Gassner demostró pilas secas para iluminación portátil en la Feria Mundial de París . Se realizaron mejoras continuas en la estabilidad y capacidad de las pilas 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 pilas de cloruro de zinc (generalmente comercializadas como baterías de "servicio 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 del ánodo de metal de zinc/cloruro de zinc y el electrolito de cloruro de amonio pueden aumentar la tasa de autodescarga y promover la corrosión de la celda. [5] Anteriormente, el zinc se recubría con mercurio (Hg) para formar una amalgama que lo protegía. Dado que esto es un peligro ambiental, las baterías de producción actuales 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 pila 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 ( NH4Cl ) 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 de hacer contacto con el cátodo, que es una mezcla de carbón en polvo (generalmente polvo de grafito ) y óxido de manganeso (IV) ( MnO2 ) , que se envuelve alrededor de una varilla de carbono. [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 requerida ]
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Los primeros tipos y las celdas de bajo costo utilizan un separador que consiste en una capa de almidón o harina . En las celdas modernas se utiliza una capa de papel recubierto de almidón, que es más delgada y permite utilizar más dióxido de manganeso. Originalmente, las celdas se sellaban con una capa de asfalto para evitar que el electrolito se seque; más recientemente, se utiliza un sello de arandela termoplástica 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 para formar 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 diseñadas para su montaje en baterías con voltajes más altos, de hasta aproximadamente 450 voltios. Las celdas planas se apilan y todo el conjunto se recubre con cera para evitar la evaporación del electrolito . Los electrones fluyen desde el ánodo al cátodo a través del cable del dispositivo conectado. [12]
Las baterías de zinc-carbono tienen un costo unitario más bajo y se utilizan a menudo como fuente de energía para aparatos que consumen poca energía, como controles remotos de televisión, relojes y detectores de humo . Las baterías de zinc-carbono eran de uso común en los teléfonos magneto accionados manualmente , que alimentaban el micrófono y el altavoz.
En una celda seca de zinc-carbono, el contenedor exterior de zinc es el terminal con carga negativa.
El zinc es oxidado por el portador de carga , el anión cloruro (Cl − ) en ZnCl 2 , a través de 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 el cloruro de zinc por cloruro de amonio como electrolito, la reacción del ánodo sigue siendo la misma:
y la reacción del cátodo 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 del cátodo. La reacción del ánodo (zinc) es comparativamente simple y tiene un potencial conocido. Las reacciones secundarias y el agotamiento de los productos químicos activos aumentan la resistencia interna de la batería, lo que hace que el voltaje de los terminales caiga bajo carga.
La celda de cloruro de zinc, frecuentemente denominada batería de servicio pesado , extra pesado , super pesado o super extra pesado , es una mejora de la celda de zinc-carbono original, ya que utiliza sustancias químicas más puras y ofrece una vida útil más prolongada y una salida de voltaje más estable a medida que se usa, y ofrece aproximadamente el doble de vida útil que 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 salida de una celda alcalina.
Las baterías alcalinas [13] ofrecen hasta ocho veces más vida útil 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 dañarlas; los fabricantes recomiendan que se devuelvan a temperatura ambiente normal antes de su uso y que se evite la condensación en la cubierta de la batería. A fines del siglo XX, la vida útil de almacenamiento de las celdas de zinc-carbono se había cuadriplicado con respecto a la vida útil esperada en 1910. [7]
Las pilas de zinc-carbono tienen una vida útil corta , ya que el cloruro de amonio ataca al zinc. El contenedor de zinc se vuelve más delgado a medida que se utiliza la pila, porque el metal de zinc se oxida a iones de zinc. Cuando la carcasa de zinc se adelgaza lo suficiente, el cloruro de zinc comienza a filtrarse de la batería. La pila seca vieja no es hermética y se vuelve muy pegajosa a medida que la pasta se filtra a través de los orificios de la carcasa 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. Una forma "al revés" con una copa de carbono y paletas de zinc en el interior, aunque más resistente a las fugas, no se ha fabricado desde la década de 1960. [7]
Esta imagen muestra el contenedor de zinc de las baterías nuevas en (a) y las baterías descargadas en (b) y (c). La batería que se muestra en (c) tenía una película protectora de polietileno (que en la foto se ha eliminado casi por completo) para mantener el óxido de zinc dentro de la carcasa.
La eliminación varía según la jurisdicción. Por ejemplo, en los EE. UU., el estado de California considera que todas las baterías son residuos peligrosos cuando se desechan y ha prohibido la eliminación de baterías con otros residuos domésticos . [15] En Europa, la eliminación de baterías está controlada por la Directiva RAEE y las regulaciones de la Directiva sobre baterías , y como tal, las baterías de zinc-carbono no deben desecharse con los residuos domésticos. En la UE, la mayoría de las tiendas que venden baterías están obligadas por ley a aceptar baterías viejas para reciclarlas .
