La historia de la pila refleja el desarrollo histórico de las diferentes celdas electroquímicas empleadas para obtener una corriente eléctrica a partir de la energía química contenida en unas sustancias químicas que sufren una reacción de oxidación-reducción.
En este caso, el nombre de pila se refiere de modo genérico a todos los dispositivos que generan una corriente continua a partir de una reacción química, aunque existen diferencias entre ellos: celdas voltaicas (primarias y secundarias), pilas eléctricas, acumuladores, baterías y pilas de combustible. Para ver dichas diferencias, consultar el artículo sobre generadores electroquímicos.
¿Para qué sirven las pilas?
Para producir electricidad para aplicarla a usos prácticos: bien mediante máquinas llamadas dinamos o generadores de corriente eléctrica, cuando se trata de un consumo apreciable para instalaciones fijas; o bien mediante el empleo de baterías de pilas secas o de acumuladores, si se trata de aparatos portátiles o vehículos automóviles.
Una pila transforma la energía química en energía eléctrica; parte de esa energía química se transforma en calor (energía calorífica) y el resto en corriente eléctrica.
Existen dos clases de pilas: la primaria, cuya carga no puede renovarse cuando se agota, excepto reponiendo las sustancias químicas de que está compuesta, y la secundaria, que sí es susceptible de reactivarse sometiéndola al paso más o menos prolongado de una corriente eléctrica continua, en sentido inverso a aquél en que la corriente de la pila fluye normalmente. La pila seca común que se emplea, por ejemplo, en las lámparas portátiles es una pila primaria.
En la fabricación de una pila primaria se pueden emplear diversas sustancias químicas, pero el principio que rige su funcionamiento será siempre el mismo. Así en la pila primaria, hay dos metales diferentes, o bien un metal y carbón (estos elementos son designados electrodos), y un líquido, denominado electrolito. Uno de estos elementos llamado el cátodo, o sea el polo negativo, es generalmente de cinc; el positivo, denominado ánodo, es casi siempre de carbón. Las reacciones químicas que tienen lugar, hacen que el cátodo se disuelva poco a poco en el electrólito, lo cual pone en libertad a electrones que, de encontrar un conductor o sistema que conecte a ambos electrodos, por donde puedan circular, producen una corriente eléctrica.
¿Quién inventó la pila?
En 1780, Luigi Galvani estaba diseccionando una rana, sujeta con un gancho de metal. Cuando tocó la pata de la rana con su bisturí de hierro, la pierna se encogió como si el animal aún estuviese vivo. Galvani creía que la energía que había impulsado la contracción muscular observada venía de la misma pierna, y la llamó "electricidad animal".
Sin embargo, Alessandro Volta, un amigo y colega científico, no estaba de acuerdo, creyendo que este fenómeno estaba causado realmente por la unión o contacto entre dos metales diferentes que estaban unidos por una conexión húmeda. El propio Volta verificó experimentalmente esta hipótesis, y la publicó en 1791. Fue perfeccionada hasta que, en 1800, Volta inventó la primera batería o generador electroquímico capaz de producir una corriente eléctrica mantenida en el tiempo, y por ello fue conocida como pila voltaica. La pila voltaica consiste de pares de discos de cobre y zinc apilados uno encima del otro (de ahí el nombre de pila), separados por una capa de tela o de cartón impregnado en salmuera (este era el electrolito). A diferencia de la botella de Leyden, la pila voltaica producía una corriente continua y estable, y perdía poca carga con el tiempo cuando no se la utiliza, aunque sus primeros modelos no podían producir una tensión lo suficientemente fuerte como para producir chispas.3 Experimentó con diversos metales y encontró que el zinc y la plata le dio los mejores resultados.
Representación esquemática de la célula original Daniell. ( 1836)
Un químico británico llamado John Frederic Daniell buscó una manera de eliminar el problema de las burbujas de hidrógeno que aparecen en la pila voltaica, y su solución fue utilizar un segundo electrolito para consumir el hidrógeno producido por el primero. En 1836, inventó la pila Daniell, que consistía en una vasija de cobre llena de una disolución de sulfato de cobre, en el que se sumerge un recipiente de barro sin esmaltar lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc. La barrera de barro era porosa, lo que permitía a los iones pasar a través suya, pero impedía la mezcla de las dos disoluciones. Sin esta barrera, cuando no había corriente se comprobó que los iones de cobre (II) se derivaban hacia el ánodo de zinc y sufrían la reducción sin producir una corriente, destruyendo la vida de la batería.7
Con el tiempo, la acumulación de cobre podría bloquear los poros de la barrera de barro y acortar la vida de la batería. Sin embargo, la celda de Daniell proporciona una corriente mayor y más fiable que la pila voltaica, debido al depósito de cobre electrolítico en el cátodo (un conductor) en lugar de hidrógeno (un aislante). También era más segura y menos corrosiva. Tenía una tensión de funcionamiento de alrededor de 1,1 voltios. Fue ampliamente utilizada en las redes de telégrafo, hasta que fue suplantada por la pila Leclanché a finales de la década de 1860.6
Pila de Grove. (1844)
La pila de Grove fue inventada por William Robert Grove en 1844 y es una modificación de la pila Daniell. Consistía en un ánodo de zinc sumergido en ácido sulfúrico y un cátodo de platino sumergido en ácido nítrico, separados por barro poroso. La pila de Grove proporcionaba una corriente elevada y un voltaje casi dos veces superior al de la pila Daniell, por lo que fue la favorita de las redes telegráficas de América durante un tiempo. Sin embargo, se desprendían vapores tóxicos de dióxido de nitrógeno (NO2) cuando estaba en operación.6 La tensión también se reducía considerablemente cuando la carga disminuía, lo que llegó a ser una responsabilidad cuando las redes telegráficas se hicieron más complejas.
Pila de plomo-ácido de Planté. (1859)
Hasta este punto, todas las baterías existentes debían ser vaciadas de forma permanente cuando se agotaban los reactivos y finalizaban todas sus reacciones químicas. En 1859, Gaston Planté inventó la batería de plomo-ácido, el primer acumulador, o sea, la primera batería que puede recargarse (en realidad, regenerar las sustancias químicas gastadas) haciendo pasar una corriente en sentido inverso a través de ella. Una batería de plomo-ácido se compone de un ánodo de plomo y un cátodo de dióxido de plomo sumergido en ácido sulfúrico. Ambos electrodos reaccionan con el ácido para producir sulfato de plomo (II), pero la reacción en el ánodo de plomo libera electrones mientras que la reacción en el óxido de plomo los capta, lo que produce una corriente. Estas reacciones químicas pueden ser revertidas mediante la aplicación de una corriente en sentido inverso, lo que permite recargarla, al igual que se le debe hacer antes de su primer uso.
El primer diseño de Planté consistía en dos placas de plomo separadas por bandas de goma y enrolladas en espiral.8 Sus baterías se utilizaron por primera vez para alimentar la luz en los vagones del tren mientras se detenía en una estación. En 1881, Camille Alphonse Faure inventó una versión mejorada que consistía en una celosía o rejilla de plomo en la que se apelmazó una pasta de dióxido de plomo, formando una placa. Varias planchas podían apilarse para obtener un mayor rendimiento. Este diseño fue más fácil de producir en masa.
En comparación con otras baterías, el diseño de Planté era más bien pesado y voluminoso para la cantidad de energía que podría almacenar. Sin embargo, podría producir picos de corriente muy grandes. También tenía una resistencia interna muy baja, por lo que una misma batería puede usarse para alimentar múltiples circuitos.6
La batería de plomo aún se utiliza hoy en los automóviles y otras aplicaciones donde el peso no es un factor importante. El principio básico no ha cambiado desde 1859, aunque en la década de 1970 se desarrolló una variante que utiliza un electrolito en forma de gel en lugar de un líquido (comúnmente conocido como la batería de gel), permitiendo que la batería pueda ser utilizada en diferentes posiciones sin fallos o fugas.
Hoy en día las celdas electroquímicas se clasifican como "primarias" si producen una corriente sólo hasta que los reactivos químicos se han agotado, y "secundarias", si las reacciones químicas puede ser revertidas mediante la recarga de la célula. La batería de plomo-ácido fue, por tanto, la primera batería o celda secundaria.
Ilustración de 1919 de una celda de gravedad. (1860)
Esta variante particular de la pila Daniell, también es conocida como celda de pata de gallo debido a la forma distintiva de uno de sus electrodos.
En algún momento durante la década de 1860, un francés con el nombre de Callaud inventó una variante de la pila Daniell llamada celda de gravedad.6 Esta versión más simple prescindió de la barrera porosa. Esto redujo la resistencia interna del sistema y por lo tanto la batería produjo una corriente más intensa. Rápidamente se convirtió en la batería de elección para las redes telegráficas americanas y británicas, y se utilizó hasta la década de 1950.9 En la industria del telégrafo, esta batería se montaba a menudo in situ por los propios trabajadores de telégrafos, y cuando ésta se agotaba, era renovada mediante la sustitución de los componentes consumidos.10
Ilustración de 1913 de una batería formada por 4 elementos o celdas de Callaud.
La celda de gravedad consistía de un frasco de vidrio, con un cátodo de cobre asentado en la parte inferior y un ánodo de zinc (con forma parecida a una pata de gallo), colgado por debajo del borde. Se esparcían cristales de sulfato de cobre (II) junto al cátodo, y el frasco se llenaba con agua destilada. Cuando la corriente circulaba, se formaba una capa de disolución de sulfato de zinc en la parte superior junto al ánodo. Esta capa superior se mantenía separada de la capa de sulfato de cobre del fondo por su menor densidad y por la polaridad de la célula.
La capa de sulfato de zinc era clara en contraste con el color azul profundo de la capa de sulfato de cobre, que permitía a un técnico comprobar la duración de la pila a simple vista. Por otra parte, esta configuración significaba que la batería sólo se podía utilizar en un sitio fijo, de lo contrario las disoluciones se mezclarían o se derramarían. Otro inconveniente era que tenía que estar circulando, de modo continuo, una corriente para evitar que las dos disoluciones se mezclaran por difusión, por lo que esta celda no era adecuada para un uso intermitente.
Pila Leclanché. (1866)
En 1866, Georges Leclanché inventó una batería que consistía en un ánodo de zinc y un cátodo de dióxido de manganeso envueltos en un material poroso, sumergidos en un frasco de disolución de cloruro de amonio. El cátodo de dióxido de manganeso estaba mezclado con un poco de carbono que mejoraba la conductividad y la absorción de electrolitos.11 Suministraba un voltaje de 1,4 a 1,6 voltios.6 Esta célula consiguió un éxito muy rápido en telegrafía, señalización y timbres eléctricos. Se utilizó para alimentar los primeros teléfonos, por lo general desde una caja de madera colocada junto a la pared, antes de que los teléfonos pudieron obtener la energía de la propia línea. No podía proporcionar una corriente sostenida durante mucho tiempo. En conversaciones largas, la batería se agotaba, haciendo inaudible la conversación.12 Esto se debía a que ciertas reacciones químicas en la célula aumentaban la resistencia interna y, por tanto, bajaba el voltaje. Estas reacciones se invertían cuando la batería se quedaba inactivo, por lo que estas pilas sólo eran adecuadas para un uso intermitente.6Pila seca de zinc-carbono. (1887)
En 1887, Carl Gassner patentó una variante de la celda Leclanché que llegó a ser conocida como la pila seca, ya que no tiene un electrolito líquido libre. En vez de eso, mezcló el cloruro de amonio con yeso de París para crear una pasta, con un poco de cloruro de zinc añadido para prolongar la vida útil. El cátodo de dióxido de manganeso se sumerge en la pasta, y ambos fueron encerrados en una carcasa de zinc, que también actuaba como ánodo.
A diferencia de las pilas húmedas, la pila seca Gassner era más sólida, no requería mantenimiento, no se derramaba y podría ser utilizado en cualquier orientación. Suministraba un potencial de 1,5 voltios. La primera pila seca producida en masa fue el modelo Columbia, comercializado por primera vez por la National Carbon Company (NCC) en 1896. Esta compañía mejoró el modelo de Gassner, sustituyendo el yeso de París por cartón en espiral, una innovación que dejaba más espacio para el cátodo y hacía que la batería fuera más fácil de montar. Fue la primera batería apropiada para el público en general e hizo prácticos los dispositivos eléctricos portátiles. La linterna se inventó ese mismo año.13 La batería de zinc-carbono todavía se fabrica hoy en día.
En 1899, un científico sueco llamado Waldmar Jungner inventó la batería de níquel-cadmio, una batería recargable que tenía electrodos de níquel y cadmio en una disolución de hidróxido de potasio. Se comercializó en Suecia en 1910 y llegó a Estados Unidos en 1946. Los primeros modelos eran robustos y tenían una densidad de energía significativamente mayor que las baterías de plomo ácido, pero eran mucho más caros.
Waldmar Jungner también inventó una batería de níquel-hierro el mismo año que su batería de Ni-Cd, pero resultó ser inferior a su homóloga de cadmio y, por consiguiente, nunca se molestó en patentarla. Producía mucho más hidrógeno gaseoso cuando estaba cargada, lo que significa que no puede cerrarse, y el proceso de carga era menos eficiente (aunque era más barato).
Sin embargo, Thomas Edison recogió el diseño de la batería de níquel-hierro de Jungner, la patentó él mismo y la vendió en 1903. Edison quería comercializar un sustituto más ligero y duradero para la batería de plomo-ácido que impulsaba a algunos de los primeros automóviles, y esperaba que de esta forma los coches eléctricos se convertirían en el estándar, con su empresa como proveedor de la batería principal. Sin embargo, los clientes encontraron que su primer modelo era propenso a fugas y de corta duración de la batería, y no superaba a la batería de plomo-ácido por mucho. Aunque Edison fue capaz de producir un modelo más fiable y potente siete años más tarde, esta vez el Ford modelo T, de bajo costo y buena fiabilidad, había hecho que los autos con motor de gasolina fuesen la norma. A pesar de ello, la batería de Edison logró un gran éxito en otras aplicaciones.15
Pila alcalina. (1955)
En 1955, un ingeniero que trabajaba para la empresa Eveready (ahora conocida como Energizer) llamado Lewis Urry intentaba encontrar una manera de extender la vida de las baterías de zinc-carbono, pero Urry decidió en cambio que las pilas alcalinas eran más prometedoras. Hasta ese momento, las más duraderas pilas alcalinas eran inviablemente caras. La batería de Urry se componía de un cátodo de dióxido de manganeso y un ánodo de zinc en polvo con un electrolito alcalino.16 A base de zinc en polvo se dotó al ánodo de una mayor superficie. Estas baterías salieron al mercado en 1959.
Las pilas alcalinas primarias son más caras pero son capaces de descargarse proporcionando corrientes elevadas y manteniendo el rendimiento. Las pilas secundarias (recargables) son más baratas que las de níquel-cadmio, tienen buena retención de energía
En este video lo podemos estudiar mas a fondo:
muy buena el resumen.
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