TIPUS DE PILES, CARACTERÍSTIQUES I REACCIONS - QUIMICA - 2026

Al mercat es pot aconseguir diferents tipus de piles amb les seves característiques pròpies. Les piles, que no són més que cel·les voltaiques, aporten a l'consumidor l'avantatge de portar amb si a qualsevol lloc (sempre que les condicions no siguin dràstiques) energia elèctrica.

Generalment les piles poden comprar-se aïllades; però, també s'aconsegueixen acoblades unes amb les altres en sèries o paral·lel, el conjunt ve a ser el que denominen bateries. I és així que en ocasions els termes 'piles' i 'bateries' solen usar-se indiscriminadament, tot i que no siguin el mateix.

Piles alcalines: un dels tipus de piles més coneguts. Font: Pexels.

Les piles poden tenir innombrables colors, formes i mides, a l'igual que poden estar fetes d'altres materials. Així mateix, i més important, la seva estructura interna, on es desenvolupen les reaccions químiques que generen electricitat, serveix per a diferenciar-les unes de les altres.

Per exemple, a la imatge superior es mostra tres piles alcalines, una de les més comuns. El terme alcalí es refereix al fet que el medi on es produeix l'alliberament i flux d'electrons, és bàsic; és a dir, té un pH major a 7 i predominen els anions OH ^- i altres càrregues negatives.

classificació general

Abans d'abordar alguns dels diferents tipus de piles que hi ha, cal saber que aquestes es classifiquen globalment com primàries o secundàries.

primàries

Les piles primàries són aquelles que un cop consumides, han de rebutjar o reciclar-se, ja que la reacció química sobre la qual se sustenta el corrent elèctric és irreversible. Per tant, aquestes no poden recarregar-se.

S'utilitzen principalment en aplicacions on resulti poc pràctic recarregar l'energia elèctrica; com ara en dispositius militars, en ple camp de batalla. Així mateix, estan dissenyades per a equips que consumeixin poca energia, perquè així durin més; per exemple, els controls remots o consoles portàtils (tipus Gameboy, tetris i tamagotxi).

Les piles alcalines, per citar un altre exemple, també pertanyen a l'tipus primàries. Usualment solen tenir formes cilíndriques, encara que això no implica que les piles cilíndriques no puguin ser secundàries o recarregables.

secundàries

A diferència de les piles primàries, les secundàries sí poden recarregar un cop s'hagin quedat sense energia.

Això es deu al fet que les reaccions químiques que ocorren dins d'elles són reversibles, i per tant, després aplicar-se'ls cert voltatge, ocasiona que les espècies producte es transformin novament en reactiu, per iniciar així una altra vegada la reacció.

Algunes piles secundàries (trucades bateries) solen ser petites, a l'igual que les primàries; però, es destinen a dispositius que consumeixen més energia i per als quals resultaria poc pràctic econòmica i energèticament l'ús de les piles primàries. Per exemple, les bateries dels telèfons mòbils contenen piles secundàries.

Així mateix, les piles secundàries estan dissenyades per equips o circuits grans; per exemple, les bateries dels automòbils, la qual està composta per diverses piles o cel·les voltaiques.

Són en general més costoses que les piles i bateries primàries, però per a usos a llarg termini acaben sent una opció més adequada i efectiva.

altres aspectes

Les piles es classifiquen ja sigui en primàries o secundàries; però comercial o popularment, solen clasificárseles d'acord a la forma (cilíndriques, rectangulars, de botons), a el dispositiu destinat (càmeres, vehicles, calculadores), als seus noms (AA, AAA, C, D, N, A23, etc.), i als seus codis IEC i ANSI.

Així mateix, característiques com el seu voltatge (1,2 a 12 volts), a l'igual que el seu temps de vida útil i preus, s'encarreguen de conferir-certa classificació als ulls de l'consumidor.

Llista de tipus de piles

-Carbono-zinc

Les piles de carboni-zinc (també conegudes com a cel·les de Leclanché o piles salines) són una de les més primitives, i actualment es consideren gairebé en desús enfront d'altres piles; especialment, enfront de les piles alcalines, les quals encara són una mica més costoses, tenen un temps de vida i voltatges majors.

Com el seu nom indica, els seus elèctrodes consisteixen d'una llauna de zinc i una vara de grafit, corresponents a l'ànode i càtode, respectivament.

En el primer elèctrode, l'ànode, s'originen els electrons mitjançant l'oxidació de l'zinc metàl·lic. Aquests electrons seguidament recorren un circuit extern que alimenta el dispositiu amb energia elèctrica, i després acaben en el càtode de grafit, on es completa el cicle a l'reduir el diòxid de manganès en el qual està submergit.

reaccions

Les equacions químiques per a les reaccions que ocorren en els elèctrodes són:

Zn (s) → Zn ²⁺ (aq) + 2e ^- (Ànode)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (s) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (Càtode)

Aquestes piles són molt semblants a les alcalines: totes dues són cilíndriques (tals com les de la imatge). No obstant això, les piles de carboni-zinc poden distingir si es llegeix detalladament les característiques retolades a l'exterior, o si el seu codi IEC és precedit per la lletra R. El seu voltatge és de 1,5 V.

-Alcalinas

Les piles alcalines són molt semblants a les de l'tipus carboni-zinc, amb la diferència que el medi on es troben els elèctrodes conté anions OH ^-. Dit mitjà consisteix d'electròlits forts d'hidròxid de potassi, KOH, el qual aporta els OH ^- que hi participen i "col·laboren" en la migració dels electrons.

Ve en diferents mides i voltatges, encara que el més comú és de 1,5 V. Són potser les piles més conegudes al mercat (Duracell, per exemple).

Les reaccions que tenen lloc en els seus elèctrodes són:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (Ànode)

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (Càtode)

A mesura que augmenta la temperatura, amb més rapidesa ocorren les reaccions i més ràpid es descarreguen les piles. Curiosament, es va córrer rumors populars de ficar-les al congelador per augmentar el seu temps de vida; però, a l'refredar-se, el seu contingut pot patir possibles solidificaciones que portin amb si posteriors defectes o riscos.

mercuri

Probable pila de mercuri, la qual pot confondre amb la pila d'òxid de plata. Font: Multicherry.

Les piles de mercuri són molt característiques per la seva peculiar forma de botons platejats (imatge superior). Gairebé tothom les reconeixeria a primer cop d'ull. També són alcalines, però el seu càtode incorpora, a més de grafit i diòxid de manganès, òxid de mercuri, HgO; el qual, després de reduir-, es transforma en mercuri metàl·lic:

Zn (s) + 2OH ^- (ac) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (s) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (s) + 2OH ^-

Noteu com en aquestes reaccions de cel·la es consumeixen i regeneren els anions OH ^-.

A l'ésser piles petites, es destina a artefactes petits, com rellotges, calculadores, controls de joguines, etc. Qui hagi fet servir qualsevol d'aquests objectes s'haurà adonat que no cal canviar-les piles per gairebé una "eternitat"; la qual equivaldria a 10 anys, aproximadament.

Òxid de plata

Piles d'òxid de plata. Font: Lukas A, CZE.

El principal defecte de les piles de mercuri és que a l'ésser rebutjades representen un seriós problema per al medi ambient, a causa de les característiques tòxiques d'aquest metall. Potser es degui a això que no té codis IEC i ANSI. Per a les piles d'òxid de plata, el seu codi IEC és precedit per la lletra S.

Un dels substituts per a les piles de mercuri correspon a la d'òxid plata, molt més costosa, però de menor impacte ecològic (imatge superior). En els seus inicis contenien mercuri per protegir el zinc de la corrosió alcalina.

Ve disponible amb un voltatge de 1,5 V, i les seves aplicacions són molt similars a les de la pila de mercuri. De fet, a simple vista dues piles llueixen idèntiques; encara que pot haver piles d'òxid de plata molt més grans.

Les reaccions en els seus elèctrodes són:

Zn (s) + 2OH ^- (ac) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 i ^-

Ag ₂ O (s) + 2H ⁺ (ac) + 2e ^- → 2Ag (s) + H ₂ O (l)

L'aigua posteriorment pateix electròlisi, descomponent-se en ions H ⁺ i OH ^-.

Cal notar que en lloc de mercuri, es forma al càtode plata metàl·lica.

Níquel-cadmi (NiCad)

Bateria de NiCd. Font: LordOider.

A partir d'aquest punt es consideren les piles secundàries o bateries. A l'igual que la de mercuri, les piles de níquel-cadmi són perjudicials per al medi ambient (per a la fauna i la salut) pel metall cadmi.

Es caracteritzen per generar altes corrents elèctrics i poden recarregar-se un gran nombre de vegades. De fet, poden recarregar-se en total 2000 vegades, el que és igual a una durabilitat extraordinària.

Els seus elèctrodes consisteixen d'hidròxid òxid de níquel, NiO (OH), per al càtode, i cadmi metàl·lic per l'ànode. El fonament químic, en essència, segueix sent el mateix: cadmi (en lloc de l'zinc) perd electrons, i el cadmi NiO (OH) els guanya.

Les reaccions de semiceldas són:

Cd (s) + 2OH ^- (ac) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (s) + 2H ₂ O (l) + 2e ^- → 2ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq)

Els anions OH ^-, novament, provenen de l'electròlit KOH. Les piles NiCad, doncs, acaben generant hidròxids metàl·lics de níquel i cadmi.

S'usen de manera individual o acoblada en paquets (com el de color groc, imatge superior). Vénen, doncs, en paquets grans o petits. Els petits troben ús en joguines; però els grans, es destinen a aeronaus i vehicles elèctrics.

Níquel-hidrur metàl·lic (Ni-HM)

Piles Ni-HM. Font: Ramesh NG de Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Una altra pila o bateria molt coneguda, i que supera en capacitats energètiques a la de NiCad, és la de Ni-HM (níquel i hidrur metàl·lic). Pot venir en format cilíndrics (les piles convencionals, imatge superior), o acoblades a una bateria.

Químicament present gairebé les mateixes característiques que les piles NiCad, amb principal diferència radicant en el seu elèctrode negatiu: el càtode no és de cadmi, sinó d'un aliatge intermetálica de terres rares i metalls de transició.

Aquest aliatge s'encarrega d'absorbir l'hidrogen format durant la càrrega, generant un hidrur metàl·lic complex (d'aquí la lletra H en el seu nom).

Si bé les piles Ni-HM aporten més energia (aproximadament 40% més), són més costoses, es desgasten amb més rapidesa, i no poden recarregar el mateix nombre de vegades que les piles NiCad; és a dir, tenen un temps de vida útil menor. No obstant això, no tenen l'efecte memòria (pèrdua de rendiment de les piles al no descarregar-se completament).

És per aquesta raó que no s'han d'usar en maquinàries que treballen a llarg termini; encara que aquest problema s'ha apaliado amb les piles LSD-NiHM. Així mateix, les piles o bateries Ni-HM presenten característiques tèrmiques molt estables, sent operables en un ampli rang de temperatures sense representar un risc.

reaccions

Les reaccions que tenen lloc en els seus elèctrodes són:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + i ^-

H ₂ O (l) + M (s) + i ^- ⇌ OH ^- (aq) + MH (s)

-Ion-liti

Bateria liti-ió de un portàtil. Font: Kristoferb de Wikipedia.

En les piles i bateries amb liti es basen en la migració dels ions Li ⁺, els quals es transfereixen des del ànode a càtode, producte de les repulsions electrostàtiques per la creixent càrrega positiva.

Algunes poden recarregar-se, com les bateries de les portàtil (imatge superior), i altres, les piles cilíndriques i rectangulars (de llis _febrer, LiSOCl ₂ o LiMnO ₂) no.

Les piles de ió-liti es caracteritzen per ser molt lleugeres i energètiques, el que els permet usar-se en molts dispositius electrònics, com telèfons intel·ligents i equips mèdics. Així mateix, pateixen penes de l'efecte memòria, la seva densitat de càrrega supera les de les piles i bateries NiCad i Ni-HM, i demora més en descarregar-se.

No obstant això, són molt sensibles a les altes temperatures, arribant fins i tot a explotar; ia més, solen ser més costoses enfront d'altres piles. Tot i així, al mercat les piles de liti són vistes amb bons ulls, i molts consumidors les qualifiquen com les millors.

-Plomo àcid

Bateria de plom àcid típica dels automòbils. Font: Tntflash

I finalment, el bacteri de plom àcid, com el seu nom indica, no conté ions OH ^- sinó H ⁺; específicament, una solució concentrada d'àcid sulfúric. Les cel·les voltaiques es troben a l'interior de les seves caixes (imatge superior), on tres o sis d'elles poden estar acoblades en sèries, donant una bateria de 6 o 12 V, respectivament.

És capaç de generar grans quantitats de càrrega elèctrica, i pel fet que són molt pesades, es destinen a aplicacions o dispositius que no puguin transportar manualment; per exemple, els automòbils, panells solars i submarins. Aquesta bateria àcida és la més antiga i encara segueix estant vigent en la indústria automotriu.

Els seus elèctrodes estan fets de plom: PbO ₂ per al càtode, i plom metàl·lic esponjós per l'ànode. Les reaccions que ocorren en ells són:

Pb (s) + HSO ^- ₄ (aq) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (aq) + 2e ^-

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (l)

referències

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
2. Odunlade Emmanuel. (24 de juliol del 2018). Different types of batteries and their applications. Circuit Digest. Recuperat de: circuitdigest.com
3. PRBA. (Sf). Types of batteries. Recuperat de: prba.org
4. Isidor Buchman. (2019). What 's the best battery? Battery University. Recuperat de: batteryuniversity.com
5. The McGraw-Hill Companies. (2007). Chapter 12: Batteries.. Recuperat de: oakton.edu
6. Shapley Patricia. (2012). Common battery types. University of Illinois. Recuperat de: butane.chem.uiuc.edu
7. Actitud Ecològica. (22 de gener del 2017). Tipus de piles: guia completa amb les piles i bateries que existeixen. Recuperat de: actitudecologica.com