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Pilas, acumuladores y baterías

Fundamento teórico y análisis de los
   diferentes diseños de interés
            tecnológico


          Dr. Iván Jachmanián
          Facultad de Química
                                       1
Reacciones redox en solución

A + e- ↔ A-          reducción         ∆G1
    B- ↔ B + e-      oxidación         ∆G2
A + B- ↔ A- + Breacción global         ∆G3
              ∆G3 = ∆G1 + ∆G2


      ∆G3 < 0

              A + B- ↔ A- + B
                             ∆G3 > 0         2
∆G = - n F E

A + e- ↔ A-           reducción         E1
    B- ↔ B + e-       oxidación        - E2
A + B- ↔ A- + Breacción global          E3

                E3 = E1 - E2

      E3 > 0

               A + B- ↔ A- + B
                              E3 < 0          3
Potenciales estándares de reducción (Eº)
     REACCIÓN            Eº25ºC (v)




                                      4
REACCIÓN   Eº25ºC (v)




                        5
A + e- → A- reducción
                 B- → B + e- oxidación

Reacción en solución         Reacción en una
                               celda o pila


           e-                      e-
                              e-
                                           e-

                              e-           e-
   e-       e-
                  e-


                                                6
Cu2+ + 2e- →   Cu             EºCu2+/Cu = 0.34
Zn2+ + 2e- → Zn               EºZn2+/Zn = - 0.76



                           Cu++

                      Zn

           ECu2+/Cu   >    EZn2+/Zn

      Zn + Cu++ →            Zn++ + Cu
                                               7
Zn + Cu++ ↔       Zn++ + Cu


Zn      -      ≅1.1 V     +     Cu



        →
        →    Zn++   Cu++ →→



     CELDA     ELECTROQUÍMICA
                                     8
I                  e-


Zn               resistencia            Cu
        -                           +


       →        Zn++     Cu++ →



     Zn + Cu++ →           Zn++ + Cu
      CELDA            GALVÁNICA
                                             9
I
                               e-

                 - Fuente +
Zn                                   Cu
        -                      +


        →    Zn++       Cu++   →


     Zn + Cu++ →         Zn++ + Cu

     CELDA        ELECTROLÍTICA           10
Si Vext = Ej=0 ⇒ I=0
Si Vext < Ej=0 ⇒ descarga, espontáneo
Si Vext > Ej=0 ⇒ carga, no espontáneo


              -   Vext   +

     -                         +




                                        11
En una celda galvánica


    Cátodo : ocurre la reducción     (+)
    Ánodo: ocurre la oxidación       (-)


es al revés en celda electrolítica


                                           12
Pilas y acumuladores
        electroquímicos


PILA :   dispositivo capaz de convertir
         energía química en energía
         eléctrica.


ACUMULADOR :       Pila recargable.
                                          13
I



                        Re


        ÁNODO E2 (-)           (+) E 1 CÁTODO
        CÁTODO                         ÁNODO


   →
R1 ← O1 + n1 e-                             →
                                 O2 + n2 e- ← R2



                       PILAS
ENERGÍA                                 ENERGÍA
QUÍMICA       ACUMULADORES             ELÉCTRICA

    DESCARGA                      CARGA            14
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 la
celda                                               15
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
I
                              ¿cuánto vale E e I para la descarga a través
                              de Re?
           Re
                              Función 1: E=f(I) : curva característica de
E 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
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
Densidad de carga almacenada:

       capacidad/masa
           (Ah/Kg)

      capacidad/volumen
            (Ah/L)




                                19
3.- Energía eléctrica almacenada

Energía eléctrica entregada=trabajo eléctrico realizado


                                           +
                             q
    E          -


  Trabajo eléctrico           We = q.E            20
Si la mayor cantidad de la carga almacenada se
entrega a un potencial de descarga
aproximadamente constante (Emedio) :


  Energía entregada = Emedio .Cap.




                                            21
Densidad de energía:

Energía eléctrica almacenada/masa
              (Wh/Kg)

  Energía almacenada/volumen
             (Wh/L)



                                    22
4.- Potencia (P)

Velocidad con que se entrega la energía


          P = E . I (ECELDA     )
                              j≠0




         Edescarga = función (I)
          ⇒ P depende de I


                                          23
E,P                       P=E.I


              Pdescarga           punto de operación

Edescarga


            P=E.I


                      Idescarga          I
                                                 24
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
Reacción anódica:      disolución del ánodo
                       metálico
                M→Mn+ + ne-
Metal      Eº Mn+/M Densidad de carga
Litio       - 3.04 V            3.86 Ah/g
Magnesio    - 2.37 V            2.20 Ah/g
Cadmio      - 0.81 V            0.47 Ah/g
Cinc        - 0.76 V            0.82 Ah/g
                                              26
Leclanché (Zn/MnO2)

Anodo             Zn → Zn2+
Cátodo            MnO2 →MnOOH
Electrolito       NH4Cl, ZnCl2, H2O

• V = 1.55V
• Bajo costo
• Disponibilidad en gran variedad de
  diseños
• Buena operación a bajas corrientes
                                       27
28
Leclanché alcalina (Zn/MnO2)


Anodo      Zn → Zn2+
Cátodo     MnO2 →Mn2O3
Electrolito KOH (30%)

•   V = 1.55V
•   Mejor operación a corrientes altas
•   Mayor capacidad real
•   Mejor operación a baja temperatura   29
Pila de Mercurio (Zn/HgO)

Ánodo      Zn → ZnO
Cátodo     HgO →Hg
Electrolito KOH (40%), ZnO

• V = 1.36V


                                     30
•Baja autodescarga
•Alta densidad de energía


•Fotografía
•Marcapasos
•Audífonos
                            31
Pila de óxido de plata (Zn/Ag2O)


Anodo    Zn → ZnO
Cátodo   Ag2O →Ag
Electrolito KOH (40%)

• V = 1.6 V


                                       32
Pila cinc-aire

Anodo    Zn    →     Zn(OH)2
Cátodo   O2 →OH-
Electrolito KOH (40%)

• V = 1.65 V


                                33
Pila cinc/aire:     2 Zn + O2 + 2 H2O → 2 Zn(OH)2

Pila tipo “botón”




                                               34
Pila de Magnesio (Mg/MnO2)


Anodo     Mg →      Mg(OH)2
Cátodo    MnO2 →Mn2O3
Electrolito KOH (30%)

• V = 1.9 V
• Alta tensión nominal
• Alta densidad de energía
                                     35
Pilas de Litio:

Monofluoruro de carbono:

Ánodo     Li  →      LiF
Cátodo    CF → C


• V = 2.8 – 3.3 V
• Pilas botón (relojes, calculadoras, etc)
                                             36
Sales de cobre o plata:

Anodo     Li   →    Li2CrO4
Cátodo    Ag2CrO4 → Ag


• V = 3.5 V
• Pilas botón (marcapasos)


                              37
Óxidos:

Ánodo     Li    →    Li2O
Cátodo    M2On → M


• V = MnO2: 3V       CuO: 1.5V
• Pilas botón (calculadoras, relojes, etc)


                                             38
Sulfuros

Ánodo      Li   →     Li2S
Cátodo     CuS → Cu


• V = 1.5V
• Pilas botón (calculadoras, relojes, etc)


                                             39
2.- Baterías Secundarias

- Capaces de recibir carga:


- Mayor costo que primarias
- Menor densidad de energía
- Mayor potencia


                              40
Pb – ácido

Reacciones de descarga:
(+) PbO2 → PbSO4
(-)   Pb   →   PbSO4


• V = 2.1V
• Ciclos: 50-1000
• Densidad de energía: 20-30 Wh/Kg
                                     41
Ni-Cd

Reacciones de descarga
(+) NiO(OH) → Ni
(-)   Cd   →   Cd(OH)2


• V = 1.3V
• Ciclos: 2500
• Densidad de energía: 25 Wh/Kg
                                  42
Ni-Fe (-) Fe   →   Fe(OH)2 1.4V
                           30 Wh/Kg

Ni-Zn (-) Zn   →   Zn(OH)2 1.4V 30
                           60 Wh/Kg



                                      43
Ag-Zn

Reacciones de descarga
(+) Ag2O → Ag
(-)   Zn   →   ZnO

• V = 1.7V
• Ciclos: 100
• Densidad de energía: 90 Wh/Kg
                                  44
¿Cuál fue el sistema con
mayor voltaje?


¿Existen pilas con un voltaje
superior?



                                45
¿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
SERIE
        I                4 Vi
    +- +- +- +-
+                 -


    VS = 4 Vi
     IS = Ii


                                       (IMAX)i

La conexión en serie multiplica el potencial
                                                 47
PARALELO
                             I
     +    +   +   +     +              VP = Vi
     -    -   -   -     -              IP = 4 Ii


Vi



                                                   4(IMAX)i


         La conexión en paralelo multiplica la
           corriente máxima de operación               48
CAPACIDAD
                  I
            +- +- +- +-
                                       CS = Ci
    +                      -

                                   I
+       +     +       +    +
                                       CP = 4 Ci
-       -     -       -        -

              El arreglo en paralelo permite
                  multiplicar la capacidad
                                                   49
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
POTENCIA
      R1
            R2

                      R3
4Vi
                       R↓
                                  R4

                                  R5
Vi



           Ii               4Ii
                             51
Combinación serie/paralelo
                                  16 celdas
                               combinadas en
                             serie y en paralelo

4Vi


                 4 celdas
                 en serie   4 celdas
                               en
                            paralelo
Vi



            Ii                            4Ii
                                                52
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
Sobre placas de plomo tipo “rejillas” se colocan
las sustancias electroactivas de acuerdo a la
polaridad:



Placa (-):
PbSO4 (s)



Placa (+):
PbO2   (s)
             + PbSO4 (s)

                                                   54
Un grupo de placas se conectan en paralelo y
forman una celda:




                                               55
Un grupo de celdas se conectan en serie y
completan la batería:




                                            56
57
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
Pila H2 / O2   1.23 V




                        59
- Diseño y reactivos caros
- Alta eficiencia
- Sistema “limpio”
- Usos especiales: Programa espacial USA
(Gemini, Apolo)



                                      60
∆H298º
  Combustible
                      (Kcal/g)
       H2 (g)          -34.2

     C8H18 (l)         -11.4

Ácido esteárico (s)    -9.5


                                 61
CLASIFICACIÓN DE LAS BATERIAS SEGÚN
           TAMAÑO Y USO

• minibaterías: 10 mWh – 2 Wh
Generalmente baterías de tipo botón para
marcapasos, relojes o audífonos.

• baterías para equipos portátiles: 2Wh – 100 Wh
Radios, iluminación etc. Tipo clásico Leclanché
hasta diseños modernos de Li con aumento de la
densidad de energía

                                            62
• baterías de arranque: 300 Wh – 1.5 KWh
Baterías clásicas de arranque de motores de
combustión interna, sistema Pb-ácido

• baterías de tracción: 3KWh – 300 KWh
Autoelevadores, locomotoras. Auto eléctrico.


• baterías estacionarias: 5KWh – 50 MWh
Instalaciones de emergencia, balizas, etc.

                                               63
Eficiencias de los procesos
térmicos y electroquímicos
   ENERGÍA
   QUÍMICA


    CALOR


   ENERGÍA
                         CELDAS
   MECÁNICA


   ENERGÍA
  ELÉCTRICA                   64
2º Principio de la termodinámica
rendimiento de un máquina térmica:


     Tcaliente − T fría     1500 K − 300 K
r=                        =                = 0.80
         Tcaliente             1500 K


 rendimiento termodinámico máximo de la
 máquina generadora de electricidad
                                              65
¿Por qué no se utilizan celdas de
combustión para producir energía
    eléctrica a gran escala?


 Desafío tecnológico no resuelto


                                   66
FIN




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Pilas, acumuladores y baterías.

  • 1. Pilas, acumuladores y baterías Fundamento teórico y análisis de los diferentes diseños de interés tecnológico Dr. Iván Jachmanián Facultad de Química 1
  • 2. Reacciones redox en solución A + e- ↔ A- reducción ∆G1 B- ↔ B + e- oxidación ∆G2 A + B- ↔ A- + Breacción global ∆G3 ∆G3 = ∆G1 + ∆G2 ∆G3 < 0 A + B- ↔ A- + B ∆G3 > 0 2
  • 3. ∆G = - n F E A + e- ↔ A- reducción E1 B- ↔ B + e- oxidación - E2 A + B- ↔ A- + Breacción global E3 E3 = E1 - E2 E3 > 0 A + B- ↔ A- + B E3 < 0 3
  • 4. Potenciales estándares de reducción (Eº) REACCIÓN Eº25ºC (v) 4
  • 5. REACCIÓN Eº25ºC (v) 5
  • 6. A + e- → A- reducción B- → B + e- oxidación Reacción en solución Reacción en una celda o pila e- e- e- e- e- e- e- e- e- 6
  • 7. Cu2+ + 2e- → Cu EºCu2+/Cu = 0.34 Zn2+ + 2e- → Zn EºZn2+/Zn = - 0.76 Cu++ Zn ECu2+/Cu > EZn2+/Zn Zn + Cu++ → Zn++ + Cu 7
  • 8. Zn + Cu++ ↔ Zn++ + Cu Zn - ≅1.1 V + Cu → → Zn++ Cu++ →→ CELDA ELECTROQUÍMICA 8
  • 9. I e- Zn resistencia Cu - + → Zn++ Cu++ → Zn + Cu++ → Zn++ + Cu CELDA GALVÁNICA 9
  • 10. I e- - Fuente + Zn Cu - + → Zn++ Cu++ → Zn + Cu++ → Zn++ + Cu CELDA ELECTROLÍTICA 10
  • 11. Si Vext = Ej=0 ⇒ I=0 Si Vext < Ej=0 ⇒ descarga, espontáneo Si Vext > Ej=0 ⇒ carga, no espontáneo - Vext + - + 11
  • 12. En una celda galvánica Cátodo : ocurre la reducción (+) Ánodo: ocurre la oxidación (-) es al revés en celda electrolítica 12
  • 13. Pilas y acumuladores electroquímicos PILA : dispositivo capaz de convertir energía química en energía eléctrica. ACUMULADOR : Pila recargable. 13
  • 14. I Re ÁNODO E2 (-) (+) E 1 CÁTODO CÁTODO ÁNODO → R1 ← O1 + n1 e- → O2 + n2 e- ← R2 PILAS ENERGÍA ENERGÍA QUÍMICA ACUMULADORES ELÉCTRICA DESCARGA CARGA 14
  • 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 la celda 15
  • 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. I ¿cuánto vale E e I para la descarga a través de Re? Re Función 1: E=f(I) : curva característica de E 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. 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. Densidad de carga almacenada: capacidad/masa (Ah/Kg) capacidad/volumen (Ah/L) 19
  • 20. 3.- Energía eléctrica almacenada Energía eléctrica entregada=trabajo eléctrico realizado + q E - Trabajo eléctrico We = q.E 20
  • 21. Si la mayor cantidad de la carga almacenada se entrega a un potencial de descarga aproximadamente constante (Emedio) : Energía entregada = Emedio .Cap. 21
  • 22. Densidad de energía: Energía eléctrica almacenada/masa (Wh/Kg) Energía almacenada/volumen (Wh/L) 22
  • 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. E,P P=E.I Pdescarga punto de operación Edescarga P=E.I Idescarga I 24
  • 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. Reacción anódica: disolución del ánodo metálico M→Mn+ + ne- Metal Eº Mn+/M Densidad de carga Litio - 3.04 V 3.86 Ah/g Magnesio - 2.37 V 2.20 Ah/g Cadmio - 0.81 V 0.47 Ah/g Cinc - 0.76 V 0.82 Ah/g 26
  • 27. Leclanché (Zn/MnO2) Anodo Zn → Zn2+ Cátodo MnO2 →MnOOH Electrolito NH4Cl, ZnCl2, H2O • V = 1.55V • Bajo costo • Disponibilidad en gran variedad de diseños • Buena operación a bajas corrientes 27
  • 28. 28
  • 29. Leclanché alcalina (Zn/MnO2) Anodo Zn → Zn2+ Cátodo MnO2 →Mn2O3 Electrolito KOH (30%) • V = 1.55V • Mejor operación a corrientes altas • Mayor capacidad real • Mejor operación a baja temperatura 29
  • 30. Pila de Mercurio (Zn/HgO) Ánodo Zn → ZnO Cátodo HgO →Hg Electrolito KOH (40%), ZnO • V = 1.36V 30
  • 31. •Baja autodescarga •Alta densidad de energía •Fotografía •Marcapasos •Audífonos 31
  • 32. Pila de óxido de plata (Zn/Ag2O) Anodo Zn → ZnO Cátodo Ag2O →Ag Electrolito KOH (40%) • V = 1.6 V 32
  • 33. Pila cinc-aire Anodo Zn → Zn(OH)2 Cátodo O2 →OH- Electrolito KOH (40%) • V = 1.65 V 33
  • 34. Pila cinc/aire: 2 Zn + O2 + 2 H2O → 2 Zn(OH)2 Pila tipo “botón” 34
  • 35. Pila de Magnesio (Mg/MnO2) Anodo Mg → Mg(OH)2 Cátodo MnO2 →Mn2O3 Electrolito KOH (30%) • V = 1.9 V • Alta tensión nominal • Alta densidad de energía 35
  • 36. Pilas de Litio: Monofluoruro de carbono: Ánodo Li → LiF Cátodo CF → C • V = 2.8 – 3.3 V • Pilas botón (relojes, calculadoras, etc) 36
  • 37. Sales de cobre o plata: Anodo Li → Li2CrO4 Cátodo Ag2CrO4 → Ag • V = 3.5 V • Pilas botón (marcapasos) 37
  • 38. Óxidos: Ánodo Li → Li2O Cátodo M2On → M • V = MnO2: 3V CuO: 1.5V • Pilas botón (calculadoras, relojes, etc) 38
  • 39. Sulfuros Ánodo Li → Li2S Cátodo CuS → Cu • V = 1.5V • Pilas botón (calculadoras, relojes, etc) 39
  • 40. 2.- Baterías Secundarias - Capaces de recibir carga: - Mayor costo que primarias - Menor densidad de energía - Mayor potencia 40
  • 41. Pb – ácido Reacciones de descarga: (+) PbO2 → PbSO4 (-) Pb → PbSO4 • V = 2.1V • Ciclos: 50-1000 • Densidad de energía: 20-30 Wh/Kg 41
  • 42. Ni-Cd Reacciones de descarga (+) NiO(OH) → Ni (-) Cd → Cd(OH)2 • V = 1.3V • Ciclos: 2500 • Densidad de energía: 25 Wh/Kg 42
  • 43. Ni-Fe (-) Fe → Fe(OH)2 1.4V 30 Wh/Kg Ni-Zn (-) Zn → Zn(OH)2 1.4V 30 60 Wh/Kg 43
  • 44. Ag-Zn Reacciones de descarga (+) Ag2O → Ag (-) Zn → ZnO • V = 1.7V • Ciclos: 100 • Densidad de energía: 90 Wh/Kg 44
  • 45. ¿Cuál fue el sistema con mayor voltaje? ¿Existen pilas con un voltaje superior? 45
  • 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. SERIE I 4 Vi +- +- +- +- + - VS = 4 Vi IS = Ii (IMAX)i La conexión en serie multiplica el potencial 47
  • 48. PARALELO I + + + + + VP = Vi - - - - - IP = 4 Ii Vi 4(IMAX)i La conexión en paralelo multiplica la corriente máxima de operación 48
  • 49. CAPACIDAD I +- +- +- +- CS = Ci + - I + + + + + CP = 4 Ci - - - - - El arreglo en paralelo permite multiplicar la capacidad 49
  • 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. POTENCIA R1 R2 R3 4Vi R↓ R4 R5 Vi Ii 4Ii 51
  • 52. Combinación serie/paralelo 16 celdas combinadas en serie y en paralelo 4Vi 4 celdas en serie 4 celdas en paralelo Vi Ii 4Ii 52
  • 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. Sobre placas de plomo tipo “rejillas” se colocan las sustancias electroactivas de acuerdo a la polaridad: Placa (-): PbSO4 (s) Placa (+): PbO2 (s) + PbSO4 (s) 54
  • 55. Un grupo de placas se conectan en paralelo y forman una celda: 55
  • 56. Un grupo de celdas se conectan en serie y completan la batería: 56
  • 57. 57
  • 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. Pila H2 / O2 1.23 V 59
  • 60. - Diseño y reactivos caros - Alta eficiencia - Sistema “limpio” - Usos especiales: Programa espacial USA (Gemini, Apolo) 60
  • 61. ∆H298º Combustible (Kcal/g) H2 (g) -34.2 C8H18 (l) -11.4 Ácido esteárico (s) -9.5 61
  • 62. CLASIFICACIÓN DE LAS BATERIAS SEGÚN TAMAÑO Y USO • minibaterías: 10 mWh – 2 Wh Generalmente baterías de tipo botón para marcapasos, relojes o audífonos. • baterías para equipos portátiles: 2Wh – 100 Wh Radios, iluminación etc. Tipo clásico Leclanché hasta diseños modernos de Li con aumento de la densidad de energía 62
  • 63. • baterías de arranque: 300 Wh – 1.5 KWh Baterías clásicas de arranque de motores de combustión interna, sistema Pb-ácido • baterías de tracción: 3KWh – 300 KWh Autoelevadores, locomotoras. Auto eléctrico. • baterías estacionarias: 5KWh – 50 MWh Instalaciones de emergencia, balizas, etc. 63
  • 64. Eficiencias de los procesos térmicos y electroquímicos ENERGÍA QUÍMICA CALOR ENERGÍA CELDAS MECÁNICA ENERGÍA ELÉCTRICA 64
  • 65. 2º Principio de la termodinámica rendimiento de un máquina térmica: Tcaliente − T fría 1500 K − 300 K r= = = 0.80 Tcaliente 1500 K rendimiento termodinámico máximo de la máquina generadora de electricidad 65
  • 66. ¿Por qué no se utilizan celdas de combustión para producir energía eléctrica a gran escala? Desafío tecnológico no resuelto 66
  • 67. FIN 67