Pila seca: qué es, estructura y funcionamiento
¿Qué es una pila seca?
Una pila seca es una batería cuyo medio electrolítico consiste en una pasta y no una disolución. Dicha pasta, sin embargo, posee cierto nivel de humedad, y por tales razones no es estrictamente seca.
La poca cantidad de agua es suficiente como para que los iones se desplacen y, por consiguiente, se produzca el flujo de electrones en el interior de la pila.
Su enorme ventaja sobre las primeras pilas húmedas, es que al tratarse de una pasta electrolítica, no puede derramarse su contenido, cosa que sí ocurría con las pilas húmedas, las cuales eran más peligrosas y delicadas que sus homólogas secas.
Ante la imposibilidad de derrames, la pila seca encuentra uso en numerosos dispositivos portátiles y móviles.
Estos dispositivos representan una comodidad energética por el hecho de disponer en el bolsillo energía química que puede transformarse en electricidad.
De esta manera, no se depende de tomas de corriente o de la energía suministrada por las grandes plantas eléctricas y su vasta red de torres y cables.
Estructura de la pila seca
En la imagen puede apreciarse su cubierta, la cual no es más que una película polimérica, acero, y los dos terminales cuyas arandelas aislantes sobresalen del frente.
Sin embargo, esta es solo su apariencia externa. En su interior están sus partes más importantes, que garantizan su buen funcionamiento.
Cada pila seca tendrá sus propias características, pero se considerará solamente la pila de zinc-carbono, de la cual puede esquematizarse una estructura general para todas las demás baterías.
Entiéndase por batería la unión de dos o más pilas, y estas últimas son celdas voltaicas, como se explicará en un próximo apartado.
Electrodos
En la imagen superior se muestra la estructura interna de una pila de zinc-carbono. Sin importar cuál sea la celda voltaica, siempre debe haber (normalmente) dos electrodos: uno de donde se desprenden electrones, y otro que los recibe.
Los electrodos son materiales conductores de la electricidad, y para que haya corriente, ambos deben tener electronegatividades diferentes.
Por ejemplo, el zinc, lata de color blanco que encierra la pila, es de donde parten los electrones hacia el circuito eléctrico (dispositivo) donde esta se conecta.
Por otro lado, en todo el medio se encuentra el electrodo de carbono grafítico, inmerso asimismo en una pasta compuesta de NH4Cl, ZnCl2 y MnO2.
Este electrodo es el que recibe los electrones, y nótese que tiene el símbolo ‘+’, lo que significa que es el terminal positivo de la pila.
Terminales
Como se observa por encima de la varilla de grafito en la imagen, está el terminal eléctrico positivo, y abajo de la lata interna de zinc de donde fluyen los electrones, el terminal negativo.
Es por eso que las pilas llevan marcas ‘+’ o ‘-’ para indicar la manera correcta de conectarlas al dispositivo y así, permitir que encienda.
Arena y cera
Aunque no se muestre, la pasta está protegida por una arena amortiguadora y un sello de cera que impide que, ante impactos mecánicos leves, o agitación, se derrame o entre en contacto con el acero.
¿Cómo funciona una pila seca?
Para empezar, es una celda voltaica, es decir, genera electricidad a partir de reacciones químicas. Por lo tanto, dentro de las pilas ocurren reacciones redox, donde las especies ganan o pierden electrones.
Los electrodos sirven como una superficie que facilita y permite el desarrollo de estas reacciones. Dependiendo de sus cargas, puede darse la oxidación o reducción de las especies.
Para comprender mejor esto, se explicarán únicamente los aspectos químicos que encierra la pila de zinc-carbono.
Oxidación del electrodo de zinc
Apenas se enciende el artefacto electrónico, la pila liberará electrones mediante la oxidación del electrodo de zinc. Esto puede representarse con la siguiente ecuación química:
Zn => Zn2+ + 2e-
Si hay mucho Zn2+ rodeando al metal, ocurrirá una polarización por carga positiva, por lo que no habrá más oxidación. Por lo tanto, el Zn2+ debe difundirse por la pasta hacia el cátodo, donde entrarán los electrones de regreso.
Los electrones, una vez hayan activado el artefacto, regresan hacia el otro electrodo: el de grafito, para encontrarse con unas especies químicas “aguardándolo”.
Reducción del cloruro de amonio
Como se dijo anteriormente, en la pasta hay NH4Cl y MnO2, sustancias que tornan su pH ácido. Apenas entren los electrones ocurrirán las siguientes reacciones:
2NH4+ + 2e– => 2NH3 + H2
Los dos productos, amoníaco e hidrógeno molecular, NH3 y H2, son gases, y por ende pueden “hinchar” la pila si no sufren otras transformaciones, como por ejemplo, las siguientes dos:
Zn2+ + 4NH3 => [Zn(NH3)4]2+
H2 + 2MnO2 => 2MnO(OH)
Nótese que el amonio se redujo (ganó electrones) para convertirse en NH3. Seguidamente, estos gases fueron neutralizados por los otros componentes de la pasta.
El complejo [Zn(NH3)4]2+ facilita la difusión de los iones Zn2+ hacia el cátodo y así impedir que la pila se “detenga”.
El circuito externo del artefacto funciona como puente para los electrones, pues de lo contrario, jamás habría una conexión directa entre la lata de zinc y el electrodo de grafito. En la imagen de la estructura, dicho circuito vendría a representar el cable de color negro.
Descarga
Las pilas secas tienen muchas variantes, tamaños y voltajes de trabajo. Algunas de ellas no son recargables (celdas voltaicas primarias), mientras que otras sí (celdas voltaicas secundarias).
La pila de zinc-carbono tiene un voltaje de trabajo de 1,5 V. Sus formas cambian en función de sus electrodos y la composición de sus electrolitos.
Llegará un punto donde todo el electrolito haya reaccionado, y sin importar cuánto se oxide el zinc, no habrá especies que reciban los electrones y promuevan su liberación.
Además, puede darse el caso donde los gases formados ya no se neutralicen y permanezcan ejerciendo presión dentro de las pilas.
Las pilas de zinc-carbono, y otras que no son recargables, deben reciclarse, ya que sus componentes, en especial si se trata de las de níquel-cadmio, son perjudiciales para el medio ambiente al contaminar los suelos y las aguas.
Referencias
- The “Dry-Cell” Battery. Recuperado de makahiki.kcc.hawaii.edu
- What is a dry cell battery? Recuperado de upsbatterycenter.com
- How Do Dry Cell Batteries Work? Recuperado de sciencing.com
- Batteries. Recuperado de explainthatstuff.com.