Pilas, acumuladores y baterías.

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Para los que trabajan en Baterias

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Pilas, acumuladores y baterías.

  1. 1. Pilas, acumuladores y bateríasFundamento teórico y análisis de los diferentes diseños de interés tecnológico Dr. Iván Jachmanián Facultad de Química 1
  2. 2. Reacciones redox en soluciónA + e- ↔ A- reducción ∆G1 B- ↔ B + e- oxidación ∆G2A + B- ↔ A- + Breacción global ∆G3 ∆G3 = ∆G1 + ∆G2 ∆G3 < 0 A + B- ↔ A- + B ∆G3 > 0 2
  3. 3. ∆G = - n F EA + e- ↔ A- reducción E1 B- ↔ B + e- oxidación - E2A + B- ↔ A- + Breacción global E3 E3 = E1 - E2 E3 > 0 A + B- ↔ A- + B E3 < 0 3
  4. 4. Potenciales estándares de reducción (Eº) REACCIÓN Eº25ºC (v) 4
  5. 5. REACCIÓN Eº25ºC (v) 5
  6. 6. A + e- → A- reducción B- → B + e- oxidaciónReacción en solución Reacción en una celda o pila e- e- e- e- e- e- e- e- e- 6
  7. 7. Cu2+ + 2e- → Cu EºCu2+/Cu = 0.34Zn2+ + 2e- → Zn EºZn2+/Zn = - 0.76 Cu++ Zn ECu2+/Cu > EZn2+/Zn Zn + Cu++ → Zn++ + Cu 7
  8. 8. Zn + Cu++ ↔ Zn++ + CuZn - ≅1.1 V + Cu → → Zn++ Cu++ →→ CELDA ELECTROQUÍMICA 8
  9. 9. I e-Zn resistencia Cu - + → Zn++ Cu++ → Zn + Cu++ → Zn++ + Cu CELDA GALVÁNICA 9
  10. 10. I e- - Fuente +Zn Cu - + → Zn++ Cu++ → Zn + Cu++ → Zn++ + Cu CELDA ELECTROLÍTICA 10
  11. 11. Si Vext = Ej=0 ⇒ I=0Si Vext < Ej=0 ⇒ descarga, espontáneoSi Vext > Ej=0 ⇒ carga, no espontáneo - Vext + - + 11
  12. 12. En una celda galvánica Cátodo : ocurre la reducción (+) Ánodo: ocurre la oxidación (-)es al revés en celda electrolítica 12
  13. 13. Pilas y acumuladores electroquímicosPILA : dispositivo capaz de convertir energía química en energía eléctrica.ACUMULADOR : Pila recargable. 13
  14. 14. I Re ÁNODO E2 (-) (+) E 1 CÁTODO CÁTODO ÁNODO →R1 ← O1 + n1 e- → O2 + n2 e- ← R2 PILASENERGÍA ENERGÍAQUÍMICA ACUMULADORES ELÉCTRICA DESCARGA CARGA 14
  15. 15. Magnitudes de interés 1.- Potencial (E)a.- Potencial de equilibrio (I = 0) (FEM, potencial normal o nominal) ECELDA j=0 = ([Ec]j=0 - [Ea]j=0)Magnitud característica del par que constituye lacelda 15
  16. 16. b.- Potencial de descarga (ECELDA j≠0 ) ECELDA j≠0 < ECELDA j=0 ECELDA j≠0 - ECELDA j=0 = ηtotal (sobrepotencial) ηtotal = función (I) ⇒ E depende de I Ej=0 ηtotal E curva característica I IMAX 16
  17. 17. I ¿cuánto vale E e I para la descarga a través de Re? Re Función 1: E=f(I) : curva característica deE 2 ( -) (+) E 1 la pila Función 2: E=Re.I: línea de la resistencia (Ohm) punto de operación Edescarga E=Re.I E Idescarga I 17
  18. 18. 2.- Capacidad (C)Cantidad de carga que puede ser entregada Cteórica = n.F . molesi t →∞ Creal = ∫ Idt t =0 moles1 moles de la especie electroactiva ¿depende de la I de descarga? Capacidad útil ≤ C real ≤C teórica 18
  19. 19. Densidad de carga almacenada: capacidad/masa (Ah/Kg) capacidad/volumen (Ah/L) 19
  20. 20. 3.- Energía eléctrica almacenadaEnergía eléctrica entregada=trabajo eléctrico realizado + q E - Trabajo eléctrico We = q.E 20
  21. 21. Si la mayor cantidad de la carga almacenada seentrega a un potencial de descargaaproximadamente constante (Emedio) : Energía entregada = Emedio .Cap. 21
  22. 22. Densidad de energía:Energía eléctrica almacenada/masa (Wh/Kg) Energía almacenada/volumen (Wh/L) 22
  23. 23. 4.- Potencia (P)Velocidad con que se entrega la energía P = E . I (ECELDA ) j≠0 Edescarga = función (I) ⇒ P depende de I 23
  24. 24. E,P P=E.I Pdescarga punto de operaciónEdescarga P=E.I Idescarga I 24
  25. 25. Sistemas de interés tecnológico 1.- Baterías Primarias- No se recargan: desechables- Pilas secas- No requieren mantenimiento- Pequeñas y de bajo costo- Equipos portátiles- Alta densidad de energía 25
  26. 26. Reacción anódica: disolución del ánodo metálico M→Mn+ + ne-Metal Eº Mn+/M Densidad de cargaLitio - 3.04 V 3.86 Ah/gMagnesio - 2.37 V 2.20 Ah/gCadmio - 0.81 V 0.47 Ah/gCinc - 0.76 V 0.82 Ah/g 26
  27. 27. Leclanché (Zn/MnO2)Anodo Zn → Zn2+Cátodo MnO2 →MnOOHElectrolito NH4Cl, ZnCl2, H2O• V = 1.55V• Bajo costo• Disponibilidad en gran variedad de diseños• Buena operación a bajas corrientes 27
  28. 28. 28
  29. 29. Leclanché alcalina (Zn/MnO2)Anodo Zn → Zn2+Cátodo MnO2 →Mn2O3Electrolito KOH (30%)• V = 1.55V• Mejor operación a corrientes altas• Mayor capacidad real• Mejor operación a baja temperatura 29
  30. 30. Pila de Mercurio (Zn/HgO)Ánodo Zn → ZnOCátodo HgO →HgElectrolito KOH (40%), ZnO• V = 1.36V 30
  31. 31. •Baja autodescarga•Alta densidad de energía•Fotografía•Marcapasos•Audífonos 31
  32. 32. Pila de óxido de plata (Zn/Ag2O)Anodo Zn → ZnOCátodo Ag2O →AgElectrolito KOH (40%)• V = 1.6 V 32
  33. 33. Pila cinc-aireAnodo Zn → Zn(OH)2Cátodo O2 →OH-Electrolito KOH (40%)• V = 1.65 V 33
  34. 34. Pila cinc/aire: 2 Zn + O2 + 2 H2O → 2 Zn(OH)2Pila tipo “botón” 34
  35. 35. Pila de Magnesio (Mg/MnO2)Anodo Mg → Mg(OH)2Cátodo MnO2 →Mn2O3Electrolito KOH (30%)• V = 1.9 V• Alta tensión nominal• Alta densidad de energía 35
  36. 36. Pilas de Litio:Monofluoruro de carbono:Ánodo Li → LiFCátodo CF → C• V = 2.8 – 3.3 V• Pilas botón (relojes, calculadoras, etc) 36
  37. 37. Sales de cobre o plata:Anodo Li → Li2CrO4Cátodo Ag2CrO4 → Ag• V = 3.5 V• Pilas botón (marcapasos) 37
  38. 38. Óxidos:Ánodo Li → Li2OCátodo M2On → M• V = MnO2: 3V CuO: 1.5V• Pilas botón (calculadoras, relojes, etc) 38
  39. 39. SulfurosÁnodo Li → Li2SCátodo CuS → Cu• V = 1.5V• Pilas botón (calculadoras, relojes, etc) 39
  40. 40. 2.- Baterías Secundarias- Capaces de recibir carga:- Mayor costo que primarias- Menor densidad de energía- Mayor potencia 40
  41. 41. Pb – ácidoReacciones de descarga:(+) PbO2 → PbSO4(-) Pb → PbSO4• V = 2.1V• Ciclos: 50-1000• Densidad de energía: 20-30 Wh/Kg 41
  42. 42. Ni-CdReacciones de descarga(+) NiO(OH) → Ni(-) Cd → Cd(OH)2• V = 1.3V• Ciclos: 2500• Densidad de energía: 25 Wh/Kg 42
  43. 43. Ni-Fe (-) Fe → Fe(OH)2 1.4V 30 Wh/KgNi-Zn (-) Zn → Zn(OH)2 1.4V 30 60 Wh/Kg 43
  44. 44. Ag-ZnReacciones de descarga(+) Ag2O → Ag(-) Zn → ZnO• V = 1.7V• Ciclos: 100• Densidad de energía: 90 Wh/Kg 44
  45. 45. ¿Cuál fue el sistema conmayor voltaje?¿Existen pilas con un voltajesuperior? 45
  46. 46. ¿Cómo pueden modificarse los parámetros característicos de un par galvánico? Conexión de un conjunto de celdas entre sí: BATERÍAS Se obtiene un dispositivo con características convenientemente modificadas de acuerdo al uso que se le va a dar.Modalidades básicas de conexión: SERIE PARALELO 46
  47. 47. SERIE I 4 Vi +- +- +- +-+ - VS = 4 Vi IS = Ii (IMAX)iLa conexión en serie multiplica el potencial 47
  48. 48. PARALELO I + + + + + VP = Vi - - - - - IP = 4 IiVi 4(IMAX)i La conexión en paralelo multiplica la corriente máxima de operación 48
  49. 49. CAPACIDAD I +- +- +- +- CS = Ci + - I+ + + + + CP = 4 Ci- - - - - El arreglo en paralelo permite multiplicar la capacidad 49
  50. 50. ENERGÍA Energía almacenda ≅ E j=0 .C I +- +- +- +- VS = 4 Vi Energías = 4ViCi+ - CS = Ci I+ + + + + Vp = Vi- - - - - Energíap = 4ViCi Cp = 4Ci La energía acumulada sólo depende del número de celdas de la batería 50
  51. 51. POTENCIA R1 R2 R34Vi R↓ R4 R5Vi Ii 4Ii 51
  52. 52. Combinación serie/paralelo 16 celdas combinadas en serie y en paralelo4Vi 4 celdas en serie 4 celdas en paraleloVi Ii 4Ii 52
  53. 53. ACUMULADOR DEL TIPO Pb/H2SO4 (Planté, 1860 )(+) PbO2 (s) + HSO4- + 3 H+ + 2 e- → PbSO4 (s) + 2 H2O(-) Pb (s) + HSO4- → PbSO4 (s) + H+ + 2 e- Eº PbO2/ PbSO4 = 1.685 V Eº PbSO4/Pb = - 0.300 V ECELDA j=0 ≅ 2 V 53
  54. 54. Sobre placas de plomo tipo “rejillas” se colocanlas sustancias electroactivas de acuerdo a lapolaridad:Placa (-):PbSO4 (s)Placa (+):PbO2 (s) + PbSO4 (s) 54
  55. 55. Un grupo de placas se conectan en paralelo yforman una celda: 55
  56. 56. Un grupo de celdas se conectan en serie ycompletan la batería: 56
  57. 57. 57
  58. 58. 3.- Pilas de combustión-Reacción catódica: reducción O2 (aire o oxígeno) ½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O-Reacción anódica: oxidación de - hidrógeno H2 → 2H+ + 2e- - hidrocarburos CnH2n+2 → nCO2 - alcoholes 58
  59. 59. Pila H2 / O2 1.23 V 59
  60. 60. - Diseño y reactivos caros- Alta eficiencia- Sistema “limpio”- Usos especiales: Programa espacial USA(Gemini, Apolo) 60
  61. 61. ∆H298º Combustible (Kcal/g) H2 (g) -34.2 C8H18 (l) -11.4Ácido esteárico (s) -9.5 61
  62. 62. CLASIFICACIÓN DE LAS BATERIAS SEGÚN TAMAÑO Y USO• minibaterías: 10 mWh – 2 WhGeneralmente baterías de tipo botón paramarcapasos, relojes o audífonos.• baterías para equipos portátiles: 2Wh – 100 WhRadios, iluminación etc. Tipo clásico Leclanchéhasta diseños modernos de Li con aumento de ladensidad de energía 62
  63. 63. • baterías de arranque: 300 Wh – 1.5 KWhBaterías clásicas de arranque de motores decombustión interna, sistema Pb-ácido• baterías de tracción: 3KWh – 300 KWhAutoelevadores, locomotoras. Auto eléctrico.• baterías estacionarias: 5KWh – 50 MWhInstalaciones de emergencia, balizas, etc. 63
  64. 64. Eficiencias de los procesostérmicos y electroquímicos ENERGÍA QUÍMICA CALOR ENERGÍA CELDAS MECÁNICA ENERGÍA ELÉCTRICA 64
  65. 65. 2º Principio de la termodinámicarendimiento de un máquina térmica: Tcaliente − T fría 1500 K − 300 Kr= = = 0.80 Tcaliente 1500 K rendimiento termodinámico máximo de la máquina generadora de electricidad 65
  66. 66. ¿Por qué no se utilizan celdas decombustión para producir energía eléctrica a gran escala? Desafío tecnológico no resuelto 66
  67. 67. FIN 67

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