FQ-Engel

11.12 Electroquímica de las baterías comúnmente usadas 255
recarga desde una descarga profunda. En la recarga de las baterías, el producto de reacción en
forma sólida se debe reconvertir en reactante, también en forma sólida. Como el sólido
en general tiene una estructura cristalina y densidad diferentes, la conversión induce estrés
mecánico en el ánodo y en el cátodo, que últimamente dan lugar a una desintegración parcial
de esos electrodos. Éste es el principal factor limitante de los ciclos carga–descarga que
puede tolerar una batería.
Los electrodos en la batería de plomo–ácido constan de polvo de Pb, PbO y PbSO 4
finamente
divididos, soportados por un armazón de Pb. Los electrodos están situados en un recipiente
que contiene H 2
SO 4
concentrado. Las reacciones de la célula en el cátodo y ánodo son
SO 4
2−
PbO 2
(s) + 4H + (aq) + (aq) + 2e 2 PbSO 4
(s) + 2H 2
O(l) (11.58)
E ° = 1.685 V
Pb(s) + SO2−(aq) PbSO 4
(s) + 2e – 4 E ° = –0.356 V (11.59)
y la reacción global es
PbO 2
(s) + Pb(s)+2H 2
SO 4
2PbSO 4
(s)+2H 2
O(l) E ° = 2.04 V (11.60)
En las reacciones precedentes, la flecha apuntando hacia la derecha indica la dirección de
descarga y en dirección opuesta indica la carga.
Se requieren seis de estas células para una batería que proporcione un potencial nominal
de 12 V. La batería de plomo–ácido es muy eficiente, más de un 90% de la carga eléctrica
empleada para cargar la batería está disponible en la parte de descarga del ciclo. Esto
significa que reacciones como la electrolisis del agua juegan un papel mínimo en la carga
de la batería. Sin embargo, sólo cerca de un 50% del plomo de la batería se convierte en
PbO 2
y PbSO 4
. Debido a que el Pb tiene una gran masa atómica, esta convertibilidad limitada
que disminuye la potencia por unidad de peso es una ventaja para la batería. Las reacciones
parásitas también dan lugar a una autodescarga de la célula sin flujo de corriente por
el circuito externo. Para la batería de plomo–ácido, la capacidad disminuye por la autodescarga
en aproximadamente 0.5% por día.
Otra batería también frecuentemente empleada es la célula alcalina, de la que se muestra
un esquema en la Figura 11.8. Se indican los elementos individuales. En esta célula el
ánodo es polvo de cinc y el cátodo está en forma de pasta de MnO 2
mezclada con polvo de
carbón para aportar conductividad. Como electrolito se usa KOH. Las reacciones del ánodo
y del cátodo son
Ánodo: Zn(s) + 2OH – (aq) → ZnO(s)+H 2
O(l)+2e 2 E ° = 1.1 V (11.61)
Cátodo: 2MnO 2
(s)+H 2
O(l)+2e – → Mn 2
O 3
(s) + 2OH – (aq) (11.62)
E ° = –0.76 V
La batería de hidruro metálico níquel se emplea en los vehículos que se basan en el uso
de un motor dc (corriente continua) para conducir por la ciudad y uno de combustión para
la autovía. Un fabricante usa 38 módulos de 6 células, cada una de ellas con un voltaje nominal
de 1.2 V y un voltaje total de 274 V para alimentar el vehículo. La capacidad del paquete
de baterías es ~1800 W-h. Las reacciones del ánodo y el cátodo son
Anodo: MH(s) + OH – (aq) M + H 2
O(l) 1 e – E ° = 0.83 V (11.63)
Cátodo: NiOOH(s)+H 2
O(l)+2e – Ni(OH) 2
(s)+OH – (aq) (11.64)
E ° = 0.52 V
El electrolito es KOH(aq), y la reacción global es
MH(s) + NiOOH(s) M + Ni(OH) 2
(s) E ° = 1.35 V (11.65)
donde M designa una aleación que puede contener V, Ti, Zr, Ni, Cr, Co y Fe.
Las baterías de ion litio son de particular interés por dos razones. Debido a que el potencial
de célula es elevado (~3.7 V), una sola célula produce casi el mismo voltaje que tres
baterías alcalinas en serie. Adicionalmente, como el litio tiene un baja masa atómica y un
potencial de célula grande, la densidad de energía (A h kg –1 ) de una célula de litio es ma-