Las baterías se han convertido en una parte esencial de la tecnología moderna. Las podemos encontrar en teléfonos y ordenadores portátiles, así como en automóviles e incluso en el almacenamiento de energías renovables. A menudo vemos una batería como una sola unidad. Sin embargo, su base radica en un componente más pequeño llamado célula de la batería. De ahí que suela surgir una pregunta: ¿Qué son las pilas y cómo funcionan?
En realidad, cada célula es una unidad compacta que almacena y suministra energía. Estas pequeñas células múltiples crean las pilas de las que dependemos en la vida cotidiana. Por eso es esencial comprender los fundamentos de una célula para saber cómo funciona una pila. Si no conoce las pilas, ¡no se preocupe! Esta guía detallada le proporcionará una visión clara de las pilas. Así que, ¡comencemos!
¿Qué es una célula de batería?
Veamos primero qué son las pilas.
Una pila es una unidad más pequeña de una batería que almacena energía y la convierte en electricidad. Tiene dos extremos, llamados electrodos, y un medio intermedio, llamado electrolito. Cuando se conecta a un circuito, las sustancias químicas del interior de la pila reaccionan y generan una corriente eléctrica. Esta corriente es la que alimenta tus aparatos.
En palabras sencillas, una pila es una fuente de energía que hace posible la tecnología portátil moderna. Estas pilas son la razón por la que se puede llevar energía encima y utilizarla en cualquier momento y lugar. Sin embargo, hay que tener en cuenta que una sola pila puede alimentar dispositivos pequeños. Sin embargo, las máquinas más grandes suelen requerir la conexión de varias pilas para formar un paquete de baterías.
Por eso, el rendimiento de una batería depende directamente de la calidad y la capacidad de sus celdas. En otras palabras, cuanto más potentes sean las celdas, mejor será el rendimiento de la batería. Además, no todas las pilas son iguales. Las hay de diferentes formas y tamaños para satisfacer distintas necesidades energéticas. Esta variedad hace que su uso sea muy amplio en diversos sectores.
Componentes básicos de una pila
Espero que a partir de esta sección haya adquirido una comprensión básica de las pilas. Cada célula de pila puede parecer un objeto simple desde el exterior. Sin embargo, en su interior tiene una estructura cuidadosamente diseñada. Cada parte de la pila tiene una función específica, y juntas permiten a la pila almacenar y liberar energía. Así que vamos a explorar algunos componentes comunes de las pilas.
- Ánodo: El ánodo es el extremo negativo de la pila. Suele estar hecho de materiales como grafito, litio o zinc, según el tipo de pila. Su función principal es liberar electrones cuando la pila está en uso. Por lo tanto, es el punto de partida donde empieza a fluir la electricidad.
- Cátodo: El cátodo es el extremo positivo de la célula. Suele estar hecho de metales como el óxido de litio y cobalto o el óxido de manganeso. La función del cátodo es recibir los electrones procedentes del ánodo. Juntos, el ánodo y el cátodo crean la vía por la que fluye la electricidad.
- Electrolito: Entre el ánodo y el cátodo se encuentra el electrolito. Se trata de una sustancia química que puede ser líquida, gelatinosa o sólida. Permite que pequeñas partículas cargadas llamadas iones se muevan entre las dos partes. Sin el electrolito, no se produciría el movimiento de cargas.
- Separador: El separador es como un muro de seguridad entre el ánodo y el cátodo. Evita que se toquen directamente, lo que podría provocar un cortocircuito. Sin embargo, permite el paso de iones.
- Coleccionistas actuales: La función de un colector de corriente es garantizar que la electricidad pueda fluir desde la batería y alimentar un dispositivo. Se trata de finas capas metálicas unidas al ánodo y al cátodo. Recogen los electrones y los envían a través del circuito externo. Esto permite alimentar el dispositivo.
¿Cómo funciona una pila?
Como he mencionado antes, una pila convierte la energía química en energía eléctrica. Sin embargo, este proceso no es tan sencillo como parece. Esto ocurre a través de un proceso exhaustivo, paso a paso. Así que vamos a explorar cómo funciona una pila.
Paso 1: Comienza la reacción química
Como sabes, dentro de la célula hay dos extremos llamados ánodo y cátodo. Ambos electrodos están sumergidos en un material gelatinoso llamado electrolito. Cuando conectas una pila a un dispositivo, los materiales del interior del ánodo empiezan a reaccionar con el electrolito. Esta reacción obliga al ánodo a liberar pequeñas partículas cargadas llamadas electrones. Estos electrones están ahora listos para moverse. Sin embargo, no pueden pasar directamente a través del interior de la pila.
Paso 2: Flujo de electrones
Como los electrones no pueden atravesar el electrolito, toman el único camino disponible. Ese camino es un circuito externo que contiene un cable. Esto significa que salen del ánodo, viajan a través del cable o del dispositivo conectado a él y se mueven hacia el cátodo. Este movimiento de electrones del ánodo al cátodo crea energía eléctrica. Esto es a lo que nos referimos como la corriente que alimenta su dispositivo.
Paso 3: Movimiento de los iones
Mientras los electrones se mueven fuera de la pila, algo más ocurre dentro. En realidad, hay otras partículas diminutas dentro del electrolito conocidas como iones. Estos iones llevan carga eléctrica. Se mueven por el electrolito desde el ánodo hasta el cátodo. Este movimiento mantiene el equilibrio de la reacción química y permite que funcione sin problemas. Sin este movimiento de iones, la pila dejaría de funcionar rápidamente.
Paso 4: La electricidad alimenta el dispositivo
A medida que los electrones viajan por el circuito externo, pasan por el dispositivo conectado a la pila. Su movimiento proporciona la energía que alimenta el dispositivo. Por ejemplo, en un mando a distancia, los electrones iluminan el pequeño circuito. Esto envía una señal al aparato, como un televisor. En un teléfono, hacen funcionar la pantalla, las aplicaciones y otras funciones. En palabras sencillas, el movimiento de los electrones es lo que da vida a tu aparato.
Paso 5: Carga y descarga
La descarga de las pilas se produce cuando se utiliza la pila para alimentar un dispositivo eléctrico. Durante la descarga, los productos químicos reaccionan de forma que los electrones fluyen del ánodo al cátodo. Esos electrones viajan a través de un cable, alimentando su dispositivo. Por otro lado, la carga sólo se produce en las pilas recargables, como las de LiFePO4 y baterías de plomo-ácido.
Es lo contrario de la descarga. ¿Cómo? Cuando conectas la pila a una fuente eléctrica, la corriente empuja a los electrones de vuelta al lugar donde se formaron. Al mismo tiempo, los iones del interior de la pila también vuelven a su posición original. Este proceso restablece la química de la pila, dejándola lista para volver a utilizarse.
Tipos de pilas
Las pilas no siempre tienen la misma forma. Su diseño y estructura cambian en función del lugar donde se vayan a utilizar. Por eso, en función de estos factores, existen cinco tipos principales de pilas. Vamos a desglosar sus detalles y especialidades en esta sección.
1- Pilas alcalinas
Las pilas alcalinas son unas de las pilas más comunes y utilizadas en la vida cotidiana. Se llaman "alcalinas" porque utilizan un electrolito alcalino, normalmente hidróxido de potasio. Este electrolito es lo que les permite durar más y proporcionar más energía que las antiguas pilas de zinc-carbono. Sin embargo, estas pilas no son recargables. Esto significa que una vez que se han utilizado por completo, no se pueden volver a cargar. Puede encontrarlas en coches teledirigidos, relojes, linternas y otros dispositivos similares.
2- Pilas de plomo-ácido
Las pilas de plomo-ácido son uno de los tipos de pilas más antiguos y fiables. Todavía se utilizan mucho hoy en día por su bajo coste, durabilidad y capacidad para suministrar una gran potencia. Estas pilas se fabrican con placas de plomo y un electrolito de ácido sulfúrico. Gracias a esta combinación, proporcionan una fuente de energía constante y fiable. Recuerde que las baterías de plomo-ácido no recargables no se pueden cargar. Por lo tanto, generan más residuos que las baterías recargables.
3- Pilas de níquel-cadmio (NiCd)
Las pilas de níquel-cadmio, a menudo denominadas pilas NiCd, son un tipo de pilas recargables. Estas pilas utilizan hidróxido de óxido de níquel y cadmio metálico como materiales principales. Se han hecho populares por su robustez, su larga duración y su capacidad para soportar una amplia gama de temperaturas. Además, estas pilas pueden suministrar una potencia fuerte y constante. Esto las hace adecuadas para uso doméstico e industrial.
4- Pilas de níquel-hidruro metálico (NiMH)
Las pilas de níquel-hidruro metálico (NiMH) son una versión avanzada de las pilas basadas en níquel. En lugar de cadmio, fabricantes de pilas utilizan un material de hidruro metálico como electrodo negativo. Sin embargo, el electrodo positivo sigue siendo hidróxido de óxido de níquel. Este cambio hace que las pilas de NiMH sean más seguras para el medio ambiente porque no contienen cadmio tóxico. También ofrecen una mayor densidad energética. Por lo tanto, pueden almacenar más energía en el mismo tamaño que las pilas de NiCd. Por eso las pilas de NiMH se hicieron populares en la electrónica de consumo, las cámaras digitales e incluso los coches híbridos.
5- Pilas de iones de litio
Las pilas de iones de litio son las pilas recargables más comunes y avanzadas que se utilizan hoy en día. Estas pilas funcionan moviendo iones de litio entre el cátodo y el ánodo durante la carga y la descarga. Gracias a este diseño, son muy eficientes y pueden almacenar una cantidad significativa de energía en un tamaño compacto.
Esto las hace no sólo ligeras, sino también potentes. Otra ventaja de las pilas de iones de litio es su alta densidad energética. Esto significa que duran más tiempo antes de necesitar una recarga en comparación con las baterías más antiguas. Por eso estas pilas se utilizan habitualmente en pilas de alta capacidad.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre una célula y una pila?
Una célula es la unidad básica que produce electricidad a partir de una reacción química. Por ejemplo, una pila AA utilizada en un mando a distancia es en realidad una sola célula. Sin embargo, una pila está compuesta por una o más celdas conectadas en serie. Por ejemplo, la batería de tu smartphone o de tu coche tiene muchas celdas pequeñas.
¿Cuántas celdas componen una pila?
El número de elementos de una pila depende de la tensión y la potencia necesarias. Por ejemplo, una pila AA o AAA suele constar de una sola célula. Sin embargo, una pila de 9 V tiene seis minúsculas celdas en su interior, cada una de 1,5 V aproximadamente. Todas esas celdas están conectadas para dar un total de 9 voltios.
¿Se pueden reutilizar las pilas gastadas?
No, las células muertas de las pilas no pueden reutilizarse. La razón es que la reacción química dentro de la célula ya se ha utilizado, y no son recargables. Así que intentar recargarlas puede ser inseguro.
Conclusión
Las pilas son la base de almacenamiento moderno de energía. Alimentan desde aparatos electrónicos domésticos hasta sistemas de energía renovable a gran escala. Sin embargo, estas células generan energía con un principio de funcionamiento básico. Por ejemplo, convierten la energía química en energía eléctrica con el movimiento de los electrones.
Además, en función de su utilidad, las pilas se presentan en varios tipos. Cada uno de esos tipos tiene sus propias ventajas e inconvenientes. Algunas son recargables, mientras que otras no lo son pero tienen una vida útil más larga. Esta variedad permite a las industrias seleccionar la mejor opción en función del coste, el rendimiento y la fiabilidad.