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Autores: Sisa Ramos
Angie Bravo
Mishell Paucar
Karla García
David Abata
Bryan Flores
Jofre Tulpa
Tutor: Prof. Yonathan Parra PhD
PERIODO: 2016-2017
Baterías para un nuevo mundo
Un pequeño cambio para un gran planeta
1
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS. PETROLES Y
AMBIENTAL
QUÍMICA 1
Baterías para un nuevo mundo
Un pequeño cambio para un gran planeta
Autores: Sisa Ramos
Angie Bravo
Mishell Paucar
Karla García
David Abata
Bryan Flores
Jofre Tulpa
Tutor: Prof. Yonathan Parra PhD
Quito, febrero de 2017
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN ....................................................................................................................... 6
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 7
CAPÍTULO I .................................................................................................................... 8
EVOLUCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA .. 8
1.1. Generalidades ..................................................................................................... 8
1.2. Desarrollo histórico ............................................................................................ 9
....................................................................................................................................... 9
1.3. Conceptos generales de energía ....................................................................... 12
1.3.1. Energía ...................................................................................................... 12
1.3.2. Electricidad ............................................................................................... 13
1.3.3. Medios físicos el almacenamiento de energía .......................................... 13
1.3.4. Medios químicos para el almacenamiento de energía: ............................. 14
1.3.5. Almacenamiento de energía ..................................................................... 15
1.3.6. Pila Eléctrica ............................................................................................. 15
1.3.7. Baterías ..................................................................................................... 18
1.3.8. Diferencia entre una pila y una batería ..................................................... 20
CAPITULO II ................................................................................................................. 22
ELECTROQUIMICA ..................................................................................................... 22
2.1. Fundamentos sobre la electroquímica .............................................................. 23
2.1.1. Electrolitos ................................................................................................ 23
2.1.1. Cátodos ..................................................................................................... 23
2.1.2. Ánodos ...................................................................................................... 24
2.1.3. Electrólisis ................................................................................................ 24
2.1.4. Reacciones de óxido reducción y la electroquímica ................................. 25
2.1.5. Celda electroquímica ................................................................................ 26
2.1.6. Celda Electrolítica .................................................................................... 26
2.2. Electroquímica en las baterías ......................................................................... 30
CAPITULO III ............................................................................................................... 31
PRINCIPIOS FÍSICOS Y QUÍMICOS DEL FUNCIONAMIENTO DE LAS
BATERÍAS CON ION-LITIO ....................................................................................... 31
3.1. Parámetros característicos de las baterías ........................................................ 34
CAPÍTULO IV ............................................................................................................... 37
REDOX .......................................................................................................................... 37
3
4.1. Tipos de reacciones Redox .............................................................................. 38
4.1.1. Reacciones de combinación...................................................................... 38
4.1.2. Reacciones de descomposición ................................................................ 38
4.1.3. Reacciones de combustión........................................................................ 39
4.1.4. Reacción de desproporción ....................................................................... 39
CAPÍTULO V................................................................................................................. 40
BATERÍAS ..................................................................................................................... 40
5.1. Batería de Ion litio ........................................................................................... 40
5.1.1. Descripción de litio ................................................................................... 40
5.1.2. El funcionamiento de la batería de litio .................................................... 42
5.2. Batería de ion sodio ......................................................................................... 42
5.2.1. Sodio ......................................................................................................... 42
5.2.2. Batería de ión sodio .................................................................................. 43
5.3. Batería de polímero de lito ............................................................................... 46
5.3.1. Polímeros: ................................................................................................. 46
5.3.2. Batería de Polímero de litio: ..................................................................... 49
5.4. Batería de Ion potasio ...................................................................................... 51
CAPÍTULOVI ................................................................................................................ 54
IMPACTO DE LAS BATERÍAS ................................................................................... 54
6.1. Impacto ambiental ............................................................................................ 54
6.2. Impacto económico .......................................................................................... 57
6.2.1. Consumo nacional de pilas y baterías....................................................... 58
6.3. Impacto social .................................................................................................. 59
6.3.1. Producción e importación de pilas y baterías ........................................... 60
6.3.2. Empresas productoras e importadoras de pilas y baterías ........................ 61
6.3.3. Gestión de pilas y baterías ........................................................................ 62
CAPÍTULO VII .............................................................................................................. 64
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 64
CAPÍTULO VIII............................................................................................................. 70
GLOSARIO .................................................................................................................... 70
4
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Historia de las pilas y baterías .......................................................................... 20
Tabla 2: Postulados de la teoría de Svante Arrhenius .................................................... 25
Tabla 3: Reversibilidad de las reacciones químicas ....................................................... 32
Tabla 4: Estructura atómica del sodio ............................................................................ 43
Tabla 5: sistema de batería de sodio ............................................................................... 44
Tabla 6: Propiedades de los polímeros ........................................................................... 48
Tabla 7: Propiedades del potasio .................................................................................... 52
Tabla 8: Clasificación de pilas primarias por su aplicación y su toxicidad .................... 55
Tabla 9: muestra de clasificación de pilas secundaria por su aplicación y toxicidad. .... 56
Tabla 10 Elementos más comunes y de alto grado de toxicidad en la salud humana y en
la naturaleza. ................................................................................................................... 57
Tabla 11: Impacto social, económico y ambiental de las baterías descritas en el capítulo
V ..................................................................................................................................... 63
5
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Bola de azufre atravesada por una varilla ......................................................... 9
Figura 2: Botella de Leyde ............................................................................................. 10
Figura 3: Funcionamiento de un condensador ................................................................ 13
Figura 4: Baterias de Baghdad........................................................................................ 16
Figura 5: Pila voltáica ..................................................................................................... 16
Figura 6: Esquema de la pila de Daniell ......................................................................... 17
Figura 7: Versión de la pila Daniell................................................................................ 17
Figura 8: Pila homónima ................................................................................................ 18
Figura 9: Flujograma de electroquímica ......................................................................... 22
Figura 10: Migración de electrones ................................................................................ 23
Figura 11: Componentes fundamentales de una celda galvánica ................................... 26
Figura 12: Esquema de la pila de Daniell ....................................................................... 27
Figura 13: Funcionamiento de la electroquímica en una batería .................................... 30
Figura 14: Batería de litio, utilizando litio metálico como electrodo ............................. 33
Figura 15: Mecanismo durante la descarga de una batería Li-ion .................................. 33
Figura 16: Mecanismo durante la carga de una batería Li-ion ....................................... 34
Figura 17: Batería de Ion sodio ...................................................................................... 44
Figura 18: Estructura de los polímeros ........................................................................... 46
Figura 19: Vulcanizado del caucho ................................................................................ 47
Figura 20: Funcionamiento de la Batería de LiPo .......................................................... 49
Figura 21: Batería de Polímero de Litio ......................................................................... 51
Figura 22: Variación de la energía ................................................................................. 53
Figura 23: Consumos de pilas ........................................................................................ 58
Figura 24: Promedio de consumo de pilas...................................................................... 59
Figura 25: Tipos de pilas importadas al Ecuador ........................................................... 60
Figura 26: Destinos de las baterías ................................................................................. 61
6
RESUMEN
Hoy se abordara un tema esencial sobre el futuro de nuestra sociedad que es el
de la energía. Si bien es importante producir energía abundante, económica y accesible
para todos, de manera que se trasladar y almacenarla de una forma sencilla para que
pueda servir para utilizarla en aquellos lugares donde la energía eléctrica es escasa. Para
se hablara sobre el almacenamiento de energía, en particular sobre las baterías
recargables Ion litio, ion sodio, ion potasio y polímero. Una breve introducción sobre lo
que es la historia, fundamentos sobre la electroquímica, principios físicos y químicos de
su funcionamiento, los impactos causados en el ámbito social, económico y ambiental.
7
INTRODUCCIÓN
Está considerado hoy como realista que uno de los problemas ambientales a
mayor escala en el mundo son las emisiones de gas de efecto invernadero, sin embargo,
esta problemática estuvo en el corazón de la conferencia internacional sobre el clima,
(COP21) que tuvo lugar en París a finales de 2015, donde se reunieron los 193 estados
miembros de la Organización de Naciones Unidas (ONU). Con el objetivo de mantener
el calentamiento por debajo del límite con respecto a los niveles preindustriales.
Paralelamente se impulsa un auge de las energías renovables, lo cual son
respuestas eficaces para conseguir dicho objetivo. Varias propuestas pueden contribuir a
eso como por ejemplo: el almacenamiento de la energía eléctrica, ya que concierne
directamente a la integración de las energías renovables. Este punto es obligatorio para
asegurar de manera rápida el auge de los vehículos eléctricos, con el fin de atacar a una
de las fuentes con mayores emisiones de CO2 que son los transportes.
Frente a la magnitud del problema varias técnicas ambientales son tomadas en
cuenta, una de ellas son las energías steps, ligados a la energía gravitacional e hidráulica
y a las presas, representando el 99 % de la capacidad de almacenamiento de la energía
en el mundo según el consejo económico social y ambiental de Francia.
Las baterías forman parte de este cambio en el medio ambiente implementando a
mayor escala la utilización de la electroquímica en baterías, caracterizadas por su
versatilidad y su capacidad de adaptación. Esta tecnología se aplica al almacenamiento
de energía en baterías para automóviles, celulares, casas, entre otros. Tomando como
ejemplo la autonomía e impulso de los vehículos eléctricos y de la evolución de las
tecnologías litio, polímeros, sodio, en baterías.
8
CAPÍTULO I
EVOLUCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO DE
ENERGÍA
1.1. Generalidades
La humanidad ha estado rodeada de energía desde los primeros días de su
existencia, sin la energía que proviene del sol, no sería posible la vida sobre la Tierra, y
sin el descubrimiento de otras energías, el desarrollo de la actividad y progreso de la
población mundial.
Desde la antigüedad, el hombre ha necesitado el empleo de energías para su
subsistencia y desarrollo, al pasar los años las ha ido encontrado y aplicando en función
de sus necesidades y del conocimiento que se tenía en cada etapa. Una de las fuentes de
energía aprovechada durante mucho tiempo ha sido la que proporciona el Sol (luz y
calor).Sin olvidar la leña y los forrajes que desde el momento en que el hombre conoció
el fuego.
El viento como energía eólica, cuyo principio es aprovechar la fuerza del viento,
desde hace muchos siglos se ha utilizado para mover barcos y molinos de aspas. El agua
como energía hidráulica que es obtenida por medio de los ríos, también ha sido energía
que se ha utilizado para mover molinos hidráulicos en la antigüedad, después en la
industrialización para el accionamiento de máquinas en general.
El carbón fue otra de las fuentes de energía que utilizó para proporcionarse
calor. La obtención de energías es básico para el desarrollo y bienestar de un país, sin
embargo el costo elevado, los escases de energía, y contaminación ambiental, ha llevado
al hombre a la utilización de energías alternativas limpias.
En la actualidad existen muchas formas de energías, descubiertas y por
descubrir, pero es importante su aprovechamiento y utilización, teniendo como auge las
energías renovables.
9
1.2. Desarrollo histórico
A finales del siglo XVIII, el término fue reservado para los fenómenos de
atracción o de repulsión entre cuerpos previamente frotados. Conocido actualmente
como electrostática. La atracción de los cuerpos de luz por los objetos electrificados por
la fricción era conocida desde la antigüedad, sin embargo realmente su estudio comenzó
a finales del siglo XVI con el trabajo del científico Inglés William Gilbert, autor del
primer tratado conocido en relación con estos temas, de Magnete, publicado en 1600.
Gracias a él se dio la apertura hacia el campo de la investigación y sus fenómenos de
atracción. La main à la pâte(1998)
El termino electricidad proviene del griego electrón, que significa ámbar, uno de
los primeros cuerpos que habían sido electrizados por fricción. Los experimentos de
Gilbert fueron tomados por el físico alemán Otto von Guericke en 1672 quien construye
la primera máquina electrostática la cual puede producir y almacenar energía eléctrica
estática por rozamiento. “Esta máquina consistía en una bola de azufre atravesada por
una varilla que servía para hacer girar la bola”. (Fig.1) Las manos aplicadas sobre la
bola producían una carga mayor que la conseguida hasta entonces. En 1707 perfecciona
Francis Hawksbee la máquina de fricción usando una esfera de vidrio. Dibner (1984)
Figura 1: Bola de azufre atravesada por una varilla
Fuente: Title page of Experimenta Nova (ut
vocantur) Magdeburgica de Vacuo Spatio ©
Photos.com/Thinkstock
10
En 1733 Francois de Cisternay propuso la existencia de dos tipos de carga
eléctrica, positiva y negativa, constatando que: Cisternay (1733)
Los objetos frotados contra el ámbar se repelen.
También se repelen los objetos frotados contra una barra de vidrio.
Sin embargo, los objetos frotados con el ámbar atraen los objetos frotados con el
vidrio.
Los primeros elementos de recaudación de carga son llamados condensadores
(botellas de Leyden), por Ewald Jürgen Von Kleist y Pieter Van Musschenbroeck se
originaron en el año 1745, en la Universidad de Leyden (hoy Leiden). En el trascurso de
esta época se construyeron prototipos similares a la botella de Leyden, (Fig.2). Unos
para acumular cargas eléctricas, y otros para manifestar sus propiedades, como los
electroscopios. Wiki (2015)
En 1767, Joseph Priestley publicó su obra The History and Present State of
Electricity donde daba a conocer que la conductividad del carbón dentro del campo de
la electricidad, lo cual hasta entonces se pensaba que solo el agua y los metales podían
conducir la electricidad. Priestley (1767)
En 1785 el físico francés Charles Coulomb formulaba las leyes de atracción y
repulsión de cargas eléctricas estáticas. Conocidas como la ley de Coulomb. Esta ley,
junto con una elaboración matemática más profunda a través del teorema de Gauss y la
Figura 2: Botella de Leyde
Fuente: Wiki (2015)
11
derivación de los conceptos de campo eléctrico y potencial eléctrico, describe la casi
totalidad de los fenómenos electrostáticos. Coulomb (1785)
Durante siguiente siglo surgieron avances significativos en el estudio de la
electricidad, como los fenómenos eléctricos dinámicos producidos por cargas en
movimiento en el interior de un material conductor. Finalmente, en 1864 el físico
escocés James Clerk Maxwell unificó las leyes de la electricidad y el magnetismo en un
conjunto reducido de leyes matemáticas. Maxwell (1865)
Leyes de electricidad y magnetismo
Ley de Gauss: La ley de Gauss explica la relación entre el flujo del campo
eléctrico y una superficie cerrada.
Δ x E = ρ / εₒ
Ley de Gauss para el campo magnético: Experimentalmente llegó al
resultado de que los campos magnéticos, a diferencia de los eléctricos, no
comienzan y terminan en cargas diferentes.
ΔxB = 0
Ley de Faraday-Lenz: Esta ley nos habla sobre la inducción
electromagnética, la que origina una fuerza electromotriz en un campo
magnético.
Δ x E = -δB / δt
La ley de Ampére: Este formuló una relación para un campo magnético
inmóvil y una corriente eléctrica que no varía en el tiempo.
Δ x B = μₒj + μₒεₒ δE / δt
Los descubrimientos técnicos del siglo XIX El descubrimiento de las
propiedades magnéticas de la corriente permitirán la invención del dínamo, del
generador y del motor eléctrico cuyo perfeccionamiento contribuirá a la difusión de la
electricidad industrial y doméstica al fin del siglo XIX y XX.
12
1.3. Conceptos generales de energía
1.3.1. Energía
Según The Feynman Lectures on Physics (1891), la energía la define como un
gran número de formas diferentes, cada una con su correspondiente fórmula asociada:
eléctrica, química, elástica, térmica, másica, gravitatoria, cinemática, radiante, nuclear,
para luego concluir en la fricción estática de la siguiente manera: Es importante notar
que en la física de hoy día se sigue explorado en el conocimiento acerca de lo que es
realmente la energía. Ya que es algo abstracto en el sentido que no nos dice el
mecanismo o razones para las diversas formas de energía. California Institute of
technology (1891)
“Se define como energía la capacidad de los cuerpos o conjuntos de estos para
desarrollar un determinado trabajo”. Viloria J. R. (2008)
La energía la se la encuentra en la luz del Sol, el agua de un rio, el viento, las
frutas, los vegetales, un trozo de carbón un determinado gas, un líquido.
Principio de conservación de la energía
Albert Einstein (1907): La energía no se crea ni se destruye, solamente se trasforma.
La energía puede ser convertida o transferida a otras diferentes, las cuales
proporcionan, energía renovable o no renovable.
a) Energía renovable
La energía que se utiliza y se renueva, ejemplo: el agua de los ríos, la
fuerza del viento, el Sol (calor y luz).
b) Energía no renovable
La energía que una vez que se la consume, desaparece de esa forma de
energía, transformándose a otra, ejemplo: Una bombona de butano que se
quema en una cocina se trasforma en energía calorífica, un barril de
13
gasolina que se gasta en un motor se trasforma en energía mecánica,
entre otras. Viloria (2008)
1.3.2. Electricidad
Existente en gran variedad de fenómenos como la electricidad estática, los
rayos la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica. Es una forma de
energía tan versátil que tiene un sin número de aplicaciones, por ejemplo: el transporte
la iluminación la tecnología entre otros. “La electricidad es una forma secundaria de
energía porque primero hay que crearla a partir de una energía primaria.” Gómez (2009)
El proceso implica una pérdida de energía que se diferencia de acuerdo con el método
utilizado.
Una vez que se crea la energía, es más difícil de almacenarla en otras formas de
energía. No podemos conservar la electricidad en un recipiente tal como el aceite o el
agua. Estas cargas de electricidad pueden ser almacenadas por los "medios químicos" o
"medios físicos".
1.3.3. Medios físicos el almacenamiento de energía
Un medio físico para el almacenamiento de la electricidad es un condensador.
Allí, los electrones están interpuestos entre las diferentes capas de átomos. (Fig.3) Viñas
(1999)
Figura 3: Funcionamiento de
un condensador
Fuente: Viñas (1999)
14
A inicios del siglo XVII experimentan con botellas de vidrio recubiertas con
capas de metal. Estas botellas se conocen como las "botellas de Leyden."
La botella de Leyden es un dispositivo eléctrico, es el antepasado del
condensador. Se realizó por primera vez en 1745 en la ciudad de Leiden (Países Bajos)
por el físico holandés Pieter van Musschenbroek, Dicho dispositivo permite almacenar
cargas eléctricas comportándose como un condensador o capacitor. Las hojas de estaños
y la varilla metálica si parte de la armadura interna. Mientras que la armadura externa
está constituida por la capa que cubre la botella. La misma botella actúa como un
material dieléctrico (aislante) entre las dos capas del condensador. History (2014)
(Fig.2).
La primera aplicación de este condensador era dar una conmoción cerebral
(descargas eléctricas o lesiones por electricidad) para el público en las ferias. Con los
años la cantidad de electricidad almacenada ha ido aumentado considerablemente y
alcanzó un nivel considerable gracias a los avances tecnológicos.
1.3.4. Medios químicos para el almacenamiento de energía:
En la actualidad la Batería o acumulador es otra manera de almacenar energía
eléctrica. Se trata de una reacción química, cuando esta reacción es irreversible, se llama
acumulador.
La reacción química convierte un material en otro. La transformación da como
resultado un cambio en la estructura atómica del material. Esta agrupación de átomos
tiene varios efectos y características medibles.
La batería más usada y más conocida es la batería del coche. De hecho, es un
verdadero "fósil" en comparación con otros tipos de baterías. En realidad, es el primer
sistema que se vende en grandes cantidades. Muy robusto, pero también muy pesada
que contiene ácido sulfúrico y plomo, que no son compatibles con el respeto y
protección de la naturaleza.
15
1.3.5. Almacenamiento de energía
El almacenamiento de energía es un reto fundamental no sólo de la vida, sino
también para la técnica de almacenamiento, a menudo implica un proceso complicado,
que se realiza para producir energía.
El hombre, por ejemplo, puede almacenar energía en las células grasas. Las
plantas almacenan energía en forma de diferentes tipos de azúcares, tales como almidón
o glucosa. La industria, a su vez debe utilizar diferentes métodos técnicos para
almacenar energía, tales como tanques de combustible más grandes, acumuladores,
entre otros. El almacenamiento de energía es para mantener una cantidad de energía
para su uso posterior. Por extensión, el término también describe el material de
almacenamiento que contiene la energía.
Los métodos de almacenamiento dependen del tipo de energía. Las fuentes de
energía fósiles (carbón, gas, petróleo), en forma de tanques, naturalmente cumplen con
la función de inventario. El almacenamiento es más complejo para las fuentes de
energía intermitentes: su producción está respaldada por las compañías de energía,
como la electricidad, el calor y el hidrógeno, que requieren sistemas de almacenamiento
específicos. Obadia (2015).
1.3.6. Pila Eléctrica
Unos arqueólogos recrean la historia lo que podría haber sido la primera pila en
el mundo al encontrar un conjunto de vasijas antiguas encontradas en Bagdad las cuales
podrían haber sido usada como algún tipo de batería. Descubierto en los años 1930, la
urna remontó a algún día entre 250 aC, mucho antes de que pilas modernas fueran
inventadas en el siglo XIX. El artefacto contuvo un tubo de cobre con una barra de
hierro en su centro que podría haber servido como los electrodos de la batería y tenía un
corcho de asfalto en lo alto, (Fig.4). Dentro de la urna existían residuos de un líquido,
ácido que podría haber proporcionado el elemento de electrólito para traer la batería a la
vida donde el jugo de limón pudo haberse utilizado como el agente de electrólito.
Discovery (2013).
Aunque esto sea cierto, ya que su uso y desarrollo no tuvo continuidad en el
tiempo, no podemos considerarlo como el verdadero origen de los generadores
químicos actuales.
16
En 1780, Luigi Galvani experimentaba con una rana, sujeta a un gancho de
metal. Al tocar la pata de la rana con su bisturí de hierro, se dio cuenta que la pierna se
encogió como si el animal aún estuviese vivo. Galvani pensó que la energía quien había
impulsado la contracción muscular en la pierna, de tal manera que la llamó "electricidad
animal". Hodges (1910)
Sin embargo, Alessandro Volta, un amigo y colega del científico Galvani, no
estaba de acuerdo, pensaba que dicho fenómeno era causado realmente por la unión o
contacto entre dos metales diferentes que estaban unidos por una conexión húmeda.
Volta con gran inquietud decide verificar experimentalmente esta hipótesis, la cual
publicó en 1791. Tras varios experimentos logra perfeccionar su investigación hasta
que, en 1800, inventó la primera batería o generador electroquímico capaz de producir
una corriente eléctrica mantenida en el tiempo (Fig. 5), conocida hoy por hoy como la
pila voltaica en honor a Volta. Configliachi (1983)
Figura 4: Baterias de Baghdad
Fuente: Ancient-Wisdon(2002)
Figura 5: Pila voltáica
Fuente: Wiqui (2010)
17
Años más tarde, el químico británico llamado John Frederic Daniell en 1836
inventó la pila Daniell, quien experimento 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. (Fig. 6). John Daniell (1945)
Fuente: Wikipedia (2017)
En este diseño el original perforó el disco se ha hecho un cilindro dentro de la
parte superior de la célula para sostener cristales de sulfato de cobre (Fig.7)
Figura 7: Versión de la pila Daniell
Fuente: Wikipedia (2017)
Entonces las pilas comenzaron a desarrollarse gracias a Alessandro Volta quien
comunica su invento de la pila (Fig.5) a la Royal Society el 20 de marzo de 1800. En
seguida Johann Wilhelm Ritter tres años después, en 1803 construyó su acumulador
eléctrico. Así las baterías fueron tomando fuerza en las mentes científicas, 1836 John
Figura 6: Esquema de la pila de Daniell
Fuente: Wikipedia (2017)
18
Frederic Daniell inventa lo que hoy conocemos como la pila de Daniell (Fig.7) gracias a
la pila de Volta, dándole mejoras como es evitar la acumulación de hidrógeno. Más
tarde, en 1844, William Robert Grove, evoluciona y aumenta la potencia inventado la
pila homónima la cual trata un nuevo tipo de célula eléctrica, utilizando zinc y
electrodos de platino expuestos a dos ácidos y separados lo cual fue publicado en la
Academia de Ciencias en Paris en 1845 Fue muy empleada en las redes telegráficas
hasta 1860. Grove (1856)
1.3.7. Baterías
Se define como batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente
acumulador, al dispositivo que está formado por una o más celdas electroquímicas las
cuales son capaces de convertir la energía química almacenada, en electricidad. Las
celdas están constituidas por un electrodo (positivo), y un electro negativo (ánodo) y por
electrolitos que permiten que los iones se muevan entre los electrodos, de tal manera
que la corriente fluya fuera de la batería para llevar a cabo su función. Castejon (2005)
En la actualidad las baterías se las encuentra por su formas, tamaños y
aplicación, desde las celdas en miniatura que se utilizan en audífonos y relojes de
pulsera, o por su función y tamaño en bancos de baterías del tamaño de una oficina que
proporcionan energía de reserva a las centrales telefónicas, ordenadores de centros de
datos y hoy por hoy a hogares.
Figura 8: Pila homónima
Fuente: Grove’s (1839)
19
1.3.7.1. Historia
El primer modelo de baterías aparece en 1860, construida por Gaston Planté la
cual se basa en un una batería de plomo y ácido, pero no tuvo éxito. Más tarde a finales
del siglo XIX, la electricidad se iba convirtiendo rápidamente en artículo cotidiano,
Planté toma la oportunidad y vuelve hacer público las características de su acumulador
teniendo más acogida, de modo que comenzó a fabricarse y ser utilizado casi
inmediatamente, iniciándose un intenso y continuado proceso de desarrollo para
perfeccionarlo y evitar sus deficiencias, proceso que dura, todavía, en las primeras
décadas del siglo XXI.
John B. Goodenough químico estadounidense en el año de 1980, dirigió un
equipo de investigación de Sony donde aparecieran por primera vez la batería de iones
de litio, recargable y más estable que la batería de litio puro. Años más tarde en 1996, se
lanzó al mercado la batería de polímero ion de litio, en la que su electrolito se aloja en
un polímero sólido compuesto y los electrodos y los separadores se laminan entre sí, lo
que permite envolturas flexibles. Zito (2010)
Las pilas y las baterías han venido teniendo cambios a través de la historia lo cual se
representa en la tabla 1.
20
Tabla 1: Historia de las pilas y baterías
Año Pila Bateria
1844 William Robert Grove inventa la pila de Grove, una
modificación de la pila Daniell
1859 La pila de plomo-ácido, la primera batería recargable
1860 La celda de gravedad, se utilizó hasta la década de 1950
1866 La pila Leclanché, se utilizó para alimentar los primeros
teléfonos
1887 La pila de zinc-carbono, la primera celda seca
1903 La batería de níquel-
hierro
1955 Pila de mercurio, se utiliza en audífonos, células
fotoeléctricas y relojes de pulsera eléctricos
Pila de óxido de plata, parecida a la de mercurio,
suministra 1,5 voltios
La batería alcalina común
1970 La pila de níquel e hidrógeno, se usa para satélites de
comunicaciones comerciales
1980 El acumulador de níquel
metal hidruro
1970 Pila de litio, se emplean para pequeños dispositivos
1990 Acumulador de ion litio
1.3.8. Diferencia entre una pila y una batería
Se debe tener en claro la diferencia entre una pila y una batería, pues bien se
habla de un pila cuando la reacción química que libera energía no es reversible, una vez
consumido los reactivos durante el proceso de descarga; en cambio si la reacción
química es reversible, el sistema se denomina batería, este se lo puede cargar con el
paso de corriente con signo contrario al proceso de descarga, incluso también se
denomina batería al conjunto de celdas electroquímicas (dispositivos capaces de generar
energía eléctrica a partir de reacciones químicas y viceversa). En cuanto a su
21
funcionamiento dependen del tipo de material del que estén construidos los electrodos y
de las sustancias que llegue a estar formados los electrolitos.
22
CAPITULO II
ELECTROQUIMICA
Actualmente la energía eléctrica es servicio necesario para el diario vivir en esta
era tecnológica; un fallo de energía por corto que este sea, representa grandes
inconvenientes para la sociedad. Se han buscado diferentes tipos de energía alternativa
buscando solucionar varias problemáticas desde ámbitos económicos, renovables,
ambientales y sociales. Sin embargo, el siguiente proyecto se enfocará más en el área
química, es decir, se profundizará en la transformación entre las energías eléctricas y
químicas, técnicamente conocido como electroquímica.
La electroquímica es la rama de la química que estudia la transformación entre
la energía eléctrica y la energía química. Los procesos electroquímicos son
reacciones redox (oxidación- reducción) en donde la energía liberada por una
reacción espontánea se convierte en electricidad o donde la energía eléctrica se
aprovecha para inducir una reacción química no espontánea. Chang, Química
10ma edición (2010)
En otras palabras, la electroquímica se encarga de estudiar el uso de las
reacciones químicas espontaneas para producir electricidad, el uso de la electricidad
para producir a su vez reacciones químicas no espontáneas y los procesos de corrosión o
deterioro implicados por estas reacciones químicas. Y el proceso existente entre el
sistema eléctrico y el sistema químico (Fig. 9).
Figura 9: Flujograma de electroquímica
23
2.1. Fundamentos sobre la electroquímica
2.1.1. Electrolitos
Un electrolito es una sustancia que al disolverse en agua, da lugar a la formación
de iones. Pueden ser débiles o fuertes, según estén parcial o totalmente ionizados o
disociados en medio acuoso. Un electrolito fuerte es toda sustancia que al disolverse en
agua, provoca exclusivamente la formación de iones. Ciquime, Concepto de electrolito
2.1.1. Cátodos
Según González, La guía química (2010) un cátodo es un electrodo a través del
cual la corriente eléctrica fluye de un dispositivo eléctrico polarizado. Un error muy
extendido es pensar que la polaridad del cátodo es siempre negativa. Frecuentemente
esta información es incorrecta ya que es cierto que en todos los dispositivos
electroquímicos de carga positiva los cationes se mueven hacia el cátodo. La polaridad
del cátodo tiende a depender del tipo de dispositivo, por ejemplo:
En una descarga de la batería o una pila galvánica el cátodo es el terminal positivo,
debido a que es donde la corriente fluye hacia fuera del dispositivo (Fig. 10). En una
recarga de la batería, o una célula electrolítica, el cátodo es el polo negativo, que envía
de nuevo a la corriente del generador externo.
Figura 10: Migración de electrones
Fuente: González, (2010)
(Reducción) (Oxidación)
24
2.1.2. Ánodos
El ánodo es conocido como el electrodo responsable de la reacción de oxidación
de los elementos. Igualmente se suele pensar que su polaridad es eternamente positiva,
sin embargo como ya ha sido explicado anteriormente en el (cátodo). La polaridad varía
dependiendo del dispositivo, a esto se le añade el modo en que trabaja teniendo en
cuenta el flujo y la dirección de la corriente eléctrica (Fig. 10). Concluyendo así que el
ánodo es positivo si absorbe energía y negativo cuando la suministra. González (2010)
2.1.3. Electrólisis
La electrólisis es uno de los principales métodos químicos de separación. La
principal ventaja del método electrolítico consiste en que no es necesario aumentar la
temperatura para que la reacción tenga lugar, evitándose pérdidas energéticas y
reacciones secundarias. Industrialmente es uno de los procesos más empleados en
diferentes áreas, como por ejemplo en la obtención de elementos a partir de moléculas
diatómicas (cloro, hidrógeno, oxígeno), la purificación de metales (el mineral metálico
se disuelve en ácido, obteniéndose por electrólisis el metal puro) o la realización de
recubrimientos metálicos protectores y/o con fines decorativos, como es el caso del
niquelado Díaz, Principios de electrodeposición (2008)
Existen teorías que permiten explicar el comportamiento de las soluciones
electrolíticas. Una de estas teorías es la de la Ionización de Arrhenius, personaje que en
el año de 1887 propone la teoría de la disociación electrolítica, la cual está basada en la
idea de que los electrólitos se disocian en iones al ponerse en contacto con el agua.
Requeijo (2002)
25
Tabla 2: Postulados de la teoría de Svante Arrhenius
a) Los electrólitos al disolverse en agua se
disocian parcialmente en iones, los cuales son
átomos o radicales con carga eléctrica
𝑁𝑎𝐶𝑙𝐻2𝑂→ 𝑁𝑎+ + 𝐶𝑙−
Ec. 1
b) El número de cargas eléctricas trasportadas por
cada ion es igual a su valencia y el número
total de cargas de los cationes es igual a total
de cargas de los aniones, de allí que las
soluciones electrolíticas sean eléctricamente
neutras
𝐶𝑎𝐶𝑙2 → 𝐶𝑎++ + 2𝐶𝑙−
Ec. 2
c) La ionización es un proceso reversible y se establece un equilibrio, propio de cada
electrólito, entre las moléculas no disociadas y los iones.
d) Los iones deben ser considerados como especies químicas con sus propiedades
características.
e) Los poliácidos se ionizan en fases. Por
ejemplo:
Primera fase: 𝐻2𝑆𝑂4 → 𝐻𝑆𝑂4− + 𝐻+
Ec. 3
Segunda fase: 𝐻𝑆𝑂4− → 𝑆𝑂4
−2 +𝐻+
Ec. 4
Fuente: Requeijo, (2002)
2.1.4. Reacciones de óxido reducción y la electroquímica
“En las reacciones de óxido reducción espontánea, se manifiesta por un flujo de
electrones neto desde los reductores hacia los oxidantes y es posible aprovechar la
energía que se libera en forma de ENERGÍA ELÉCTRICA.” Reyes (2012)
26
2.1.5. Celda electroquímica
Es un dispositivo experimental por el cual se puede generar electricidad
mediante una reacción química (celda Galvánica). O por el contrario, se produce una
reacción química al suministrar una energía eléctrica al sistema (celda Electrolítica).
López (2010).
2.1.6. Celda Electrolítica
Las celdas electrolíticas están constituidas por un recipiente; el mismo que
contiene al electrólito, cabe recalcar que necesariamente este recipiente debe ser de un
material que no reaccione con el electrólito. Su funcionamiento consta de dos electrodos
(uno trabaja como cátodo y el otro como ánodo) los cuales permiten el paso de la
corriente eléctrica. Cruz, Apez, & Navarrete (2010). La celda como tal no sirve como
fuente de energía eléctrica, pero puede conducir corriente desde una fuente externa
denominada acción electrolítica. Se usa en electro deposición, electro formación,
producción de gases y realización de muchos procedimientos industriales.
Figura 11: Componentes fundamentales de una celda
galvánica
Fuente: Cedrón, Landa, & Robles, (2011)
27
2.1.6.1.Reacciones electroquímicas
En el paso de la corriente intervienen todos los iones presentes en la solución,
pero para pasar la corriente del electrolito al electrodo metálico y viceversa interviene
una sola clase de iones, es decir, aquella especie que toma o cede fácilmente las cargas
eléctricas en las condiciones en las que se lleva a cabo la operación; como es sabido, el
paso de la corriente por un conductor metálico es en realidad un flujo de electrones, y
por tanto, en la superficie de contacto electrodo-solución debe producirse un
intercambio de electrones lo mismo que se conoce como reacción electroquímica.
Rubio & Lamberto, Electroquímica (2004)
Homogénea: Transferencia electrónica directa de una especie a otra (Sistemas
óxido/reducción)
Heterogénea (celda electroquímica): Transferencia electrónica de una especie
a otra a través de un conductor metálico y un conductor iónico
- Electrodos en una celda electroquímica
o Cátodo: El que cede e- Ocurre la reducción
o Ánodo: El que toma e- Ocurre la oxidación
Cu+2
(ac) + Zn (s) Cu (s) + Zn+2
Ec. x
ÁNODO Zn(s) Zn+2
(ac) + 2e- Ec. x
CÁTODO Cu+2
(ac) + 2e- Cu(s) Ec. x
Figura 12: Esquema de la pila de Daniell
Fuente: Melero, (2015)
28
2.1.6.2.Tipos de celdas electroquímicas
a) Según la situación física de los electrodos
Sin unión líquida (E/S/E): Ambos electrodos introducidos en una misma disolución
Con unión líquida (E/S1//S2/E): Cada electrodo en una disolución Es necesario cerrar
el sistema eléctrico (puente salino o membrana porosa)
Electrodos de referencia
El electrodo de referencia universal es el electrodo de hidrógeno. Sin embargo, dadas
las dificultades que se presentan en el uso de cualquier electrodo de gas, es necesario el
empleo de electrodos de referencia de otros tipos. Una de las características principales
que debe presentar un electrodo de referencia, es que sea no polarizable (que no
presente polarización), es decir, que su potencial no se vea alterado como consecuencia
de los cambios en la interfase, debido al paso de una corriente apreciable. En la práctica,
no cualquier sistema electroquímico puede funcionar como electrodo de referencia.
(Pabón, S,f)
Características principales:
a) Insensible a cambios de concentración en la solución
b) Fácil de preparar
c) Potencial de equilibrio debe alcanzarse rápidamente
d) No sujeto a fenómenos de polarización
Tipos:
a) Electrodo normal de hidrógeno (apenas usado en la actualidad)
b) Electrodo de calomelanos (el más usual es el saturado)
c) Electrodo de Ag+/AgCl
Ecuación de Nerst
La ecuación de Nernst es utilizada para hallar el potencial de reducción en los
electrodos en condiciones diferentes a los estándares. Según Balderas (2015) si se
29
quiere estudiar la tendencia de una reacción es preciso conocer el signo y el valor de ΔG
(variación de la energía libre de Gibbs) en dichas condiciones. Para obtener dicha
información se utiliza la siguiente expresión termodinámica:
ΔG = ΔGº + RTlnQ Ec. x
Entonces para la reacción aA + bB → cC + dD, Q adopta la expresión:
𝑄 =[C]c[D]𝑑
[A]a[B]𝑏 Ec. x
[C] y [D], hacen referencia a las concentraciones molares si se trata de gases o
iones en disolución, para los productos de la reacción, en cambio [A] y [B], son
también las presiones parciales pero para el caso de los reactivos. Siendo los
exponentes, la cantidad de moles que conforma cada sustancia que se encuentra
participando en la reacción (conocidos como coeficientes estequiométricos), y a
las sustancias que se encuentran en estado sólido se les da una concentración
unitaria, por lo cual no aparecen en Q. Méndez (2010)
La reacción será espontánea si ΔG < 0. Como ΔG = -nFE podemos transformar la
expresión anterior de la forma siguiente:
-nFE = -nFEº + RTlnQ Ec. x
E = Eº -(RT/nF)lnQ Ec. x
Esta expresión es conocida como la ecuación de Nernst. La forma más utilizada de esta
expresión, a 25 ºC, tras sustituir el valor numérico de las constantes es:
E = Eº -(0.059/n)logQ
El potencial de una reacción redox espontánea es positivo, E > 0, y su ∆G < 0. Para una
reacción en equilibrio E = 0 (∆G = 0) y su cociente de reacción, Q, es igual a la
constante de equilibrio, K:
E = 0 = Eº - (RT/nF)lnK => Eº = (RT/nF)lnK (∆Gº = -RTlnK)
30
2.2.Electroquímica en las baterías
Las baterías eléctricas, por medio de una reacción química producen, en su terminal
negativo, una gran cantidad de electrones (con carga negativa) y su terminal positiva
produce una gran ausencia de electrones (lo que causa que este terminal sea de carga
positiva) (Fig. 13)
Figura 13: Funcionamiento de la electroquímica en una batería
Fuente: (Turmero, S,f)
31
CAPITULO III
PRINCIPIOS FÍSICOS Y QUÍMICOS DEL FUNCIONAMIENTO DE
LAS BATERÍAS CON ION-LITIO
Debido a la gran demanda de dispositivos eléctricos, el hombre ha buscado
desarrollar fuentes alternativas para el almacenamiento de energía, de esta manera se ha
implementado el uso de baterías con energías determinadas y que sean de larga duración,
como las baterías de litio.
Se conoce que mediante una reacción química se puede generar energía como la
energía eléctrica, esta tiene un sistema de energía química que se les denomina celdas
electroquímicas. “La estructura fundamental de una Celda Electroquímica consiste en dos
electrodos, metálicos en muchos casos, introducidos en una solución conductora o
electrolito: electrodo positivo, denominado cátodo, y electrodo negativo, denominado
ánodo” Hamel (2011). Como se conoce ya, el término "batería" hace referencia a que las
celdas se colocan unas detrás de otras para ampliar la capacidad y la tensión del
acumulador eléctrico. El funcionamiento de un acumulador está basado esencialmente en
un proceso reversible llamado Óxido-Reducción (también conocido como Redox).
Se debe tener en claro la diferencia entre una pila y una batería, pues bien se habla
de un pila cuando la reacción química que libera energía no es reversible, una vez
consumido los reactivos durante el proceso de descarga; en cambio si la reacción química
es reversible, el sistema se denomina batería, este se lo puede cargar con el paso de
corriente con signo contrario al proceso de descarga, incluso también se denomina batería
al conjunto de celdas electroquímicas (dispositivos capaces de generar energía eléctrica a
partir de reacciones químicas y viceversa). En cuanto a su funcionamiento dependen del
tipo de material del que estén construidos los electrodos y de las sustancias que llegue a
estar formados los electrolitos.
32
Tabla 3: Reversibilidad de las reacciones químicas
Batería reversible Proceso de carga y descarga
Pila No reversible Proceso de descarga
En su mayoría se han empleado las baterías de ion litio, ya que el litio al ser el metal
más liviano, con un potencial estándar de reducción de -3.040V, es decir actúa como
especie reductora y en el proceso se oxida, su valor es el más negativo entre los metales, lo
que indica que es el agente reductor más fuerte por lo tanto tiene el mayor potencial
electroquímico, debido a su valor tan negativo de su potencial de reducción le proporciona
una inestabilidad termodinámica (cuando un sistema está en su estado de menor energía o
equilibrio químico en su entorno), es por eso que actualmente se ha implementado la
utilización de los iones de litio en las baterías, debido a que el poder reductor de este metal
es muy elevado, esta reacción suele ser espontánea generando una energía aprovechable.
Las baterías de ion–litio recargables, en cuanto a su funcionamiento se basan en
procesos denominados de inserción - desinserción (se les denomina reacciones de
intercalación debido a que no existe una nomenclatura definida) de iones Litio (𝐿𝑖+), la
reacción que ocurre se puede describir de la manera siguiente:
𝑥𝑀 + ª𝐴 ↔ 𝑀𝑥𝐴
La reacción anterior sucede en estado sólido, entre dos compuestos de inserción
como electrodos, uno de los compuestos es denominado huésped (M), de naturaleza iónica,
reacciona ocupando lugares vacantes (ª) en la estructura de otra especie denominada
Anfitrión (A) por lo general siendo sólido cristalino. Estas reacciones pueden ocurrir en
forma reversible. Hamel (2011).
En la fig 14 puede verse el esquema del funcionamiento de una batería de litio, en
donde el electrodo negativo está constituido por el litio metálico, y el electrodo positivo por
un compuesto que actúa como anfitrión durante la reacción de inserción. El electrolito
puede ser una solución de una sal de litio en un solvente no acuoso.
33
Estas baterías tienen dos procesos que tienen que ser bien identificados: el de
descarga y carga (fig 15 y 16). Durante el proceso de descarga los 𝑒− se mueven en sentido
contrario al de la corriente eléctrica, en el electrodo positivo ocurre la reducción, mientras
que en el negativo se produce la oxidación del litio metálico:
𝐿𝑖 → 𝐿𝑖+ + 1 𝑒−
El ion-Litio se mueve a través del electrolito hacia el electrodo positivo donde se produce la
reducción de la especie anfitrión y la inserción de la especie huésped.
𝑥𝐿𝑖 + 𝑥 𝑒 − + 𝐴 → 𝐿𝑖𝑥𝐴
La reacción total durante la descarga será:
𝑥𝐿𝑖 𝐴 → 𝐿𝑖𝑥𝐴
Figura 14: Batería de litio, utilizando litio metálico como electrodo
Fuente: Hamel (2011)
Figura 15: Mecanismo durante la descarga de una batería Li-ion
Fuente: Lynch (2014)
34
En cambio durante el proceso de carga, se produce la reacción contraria (Fig. 15):
en el electrodo positivo la oxidación de la especie anfitrión y en el electrodo negativo se
deposita el Litio metálico Lara (2013), desafortunadamente durante este proceso los iones
litio se depositan en el electrodo negativo creciendo y expandiéndose cada vez más en los
diferentes procesos de carga–descarga, lo que provocará que en algún momento van a
chocar los dos electrodos formando un cortocircuito o la explosión de la batería.
Estas reacciones Redox son limitadas ya que la gran cantidad de descargas y cargas
genera un evidente desgaste de la batería hasta deteriorarse por completo, siendo una más
de las causas del desgaste de la vida media de la batería en función del ciclo de carga, que
no es más que el uso y la carga del 100% de su capacidad. La mayoría de baterías de iones
de litio utiliza una carga rápida hasta un 80 % de la capacidad de su batería, posteriormente
pasan a una carga más lenta, el periodo de vida de la misma dependerá sobre todo del uso
que se le dé Ridej74 (2015).
3.1. Parámetros característicos de las baterías
La principal característica de una batería consiste en la capacidad de generar una
cierta cantidad de energía, se puede llegar a representar con distintas magnitudes:
Figura 16: Mecanismo durante la carga de una batería Li-ion
Fuente: Lynch (2014)
35
Su capacidad, es la cantidad de electricidad que puede llegar a almacenar, siendo
expresada como:
𝑄 = 𝑛𝑧𝐹
(Ec.)
n = número de electrones transferidos
z = número de moles de electrones
F = Constante de Faraday
La capacidad depende de la cantidad del material activo utilizado, es decir, que sí
doblamos la masa de material activo doblaremos también su capacidad.
La capacidad específica Ce, es una magnitud intensiva donde hace referencia a la
capacidad de una batería por unidad de masa (Kg) o de volumen (L), dependiendo de la
unidad en que se esté manejando.
𝑄𝑒 = 𝑄
𝑚 ó 𝑄𝑒 =
𝑄
𝑣
(Ec)
La energía específica 𝐸𝑒, viene a ser el producto de la capacidad específica y el voltaje o
potencial de salida (E), donde su unidad es J/g pero mayormente se expresa en Wh/kg.
𝐸𝑒 = 𝑄𝑒𝐸 (Ec)
Sin embargo, estas baterías tienen una energía máxima que puede obtenerse por mol
en condiciones normales (0° 𝐶, 1 𝑎𝑡𝑚,) mediante una determinada reacción de
intercalación, expresada por la variación de energía libre (∆𝐺𝑂) de dicho proceso.
∆𝐺𝑂 = −𝑧𝐹𝜀𝑂 (Ec)
Donde:
𝜀𝑂 = potencial termodinámico de equilibrio
Z = número de 𝑒− transferidos en la reacción de óxido-reducción
F = constante de proporcionalidad
36
Otro parámetro es también la potencia específica, no es más que la velocidad con la que
puede ser extraída la energía almacenada en la batería, dependiendo de la velocidad de
difusión de los iones en el ánodo, cátodo y electrolito.
𝑃𝑒 = 𝑊
𝑔 (Ec.x)
Donde:
W = watios
g = gramos
Después de todo el estudio tanto físico como químico de una celda electroquímica
que vaya a ser utilizada en una batería recargable, se necesita más del conocimiento de la
vida media de la misma, es decir el número de ciclos carga-descarga a los que puede ser
sometida antes de que los parámetros ya mencionados decrezcan significativamente.
Por lo tanto, el factor de carga es el cociente entre la capacidad de la curva de descarga y la
capacidad de la curva de carga. La eficacia del ciclo es el cociente entre la energía de la
curva de descarga y la energía de la curva de carga. La Vida media es el número de ciclos
carga-descarga a la que puede ser sometido una celda electroquímica antes de descartarla.
37
CAPÍTULO IV
REDOX
Son reacciones de tipo químico en las cuales existe transferencia de electrones entre
reactivos, también son llamadas de óxido reducción, alterando el estado de oxidación de los
elementos de la reacción. De este modo, un elemento cede electrones que otro elemento
capta, a la sustancia que se oxida se le denomina agente reductor debido a que provoca la
reducción de la otra sustancia, mientras que a la sustancia que se reduce se le llama agente
oxidante ya que provoca la oxidación de la otra sustancia.
Cada reacción contiene otra reacción parcial y a cada una de estas reacciones se
denomina semirreacción, en la cual se muestra específicamente los electrones transferidos
en la reacción Redox. La suma de las semirreacciones produce la reacción global:
2𝐴𝑔0 + 𝐶𝑢𝑆𝑂4 → 𝐴𝑔2𝑆𝑂4 + 𝐶𝑢0
𝐸𝑐. 1
2𝐴𝑔0 → 2𝐴𝑔+ 𝑠𝑒𝑚𝑖𝑟𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝐸𝑐. 2
𝐶𝑢2+ → 𝐶𝑢0 𝑠𝑒𝑚𝑖𝑟𝑟𝑒𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝐸𝑐. 3
Las definiciones de oxidación y reducción, en términos de pérdida y ganancia de
electrones, se aplican a la formación de compuestos iónicos.
Reducción
Fenómeno en el cual una molécula gana electrones, por lo que el número de oxidación
disminuye algebraicamente porque gana carga negativas, es decir se vuelve un anión.
38
Oxidación
Fenómeno en el cual una molécula pierde electrones, por lo que el número de
oxidación aumenta algebraicamente porque pierde carga negativas, es decir se vuelve un
catión.
Los elementos que participan en las reacciones utilizan un número definido de
electrones, este número comprende al total de electrones que puede ceder o captar un
elemento, en otras palabras a su número máximo de oxidación.
El término reacción de oxidación se refiere a la semirreacción que implica la
pérdida de electrones (Ec. 3) y una reacción de reducción (Ec. 2) es una semirreacción que
implica una ganancia de electrones. Chang (2010).
4.1.Tipos de reacciones Redox
Entre las reacciones más comunes de oxidación-reducción se encuentran:
4.1.1. Reacciones de combinación
Una reacción de combinación es una reacción en la que dos o más sustancias se
combinan para formar un solo producto. Chang (2010).
𝑆8(𝑠)0 + 𝑂2(𝑔)
0 → 𝑆𝑂2(𝑔)
𝐸𝑐. 4
4.1.2. Reacciones de descomposición
Las reacciones de descomposición son lo opuesto de las reacciones de combinación.
En una reacción se descompone un compuesto para la formación de dos o más productos
Chang (2010).
2𝐻𝑔2+𝑂(𝑠)2− → 2𝐻𝑔(𝑙)
0 + 𝑂2 (𝑔)0
𝐸𝑐. 5
39
4.1.3. Reacciones de combustión
Es aquella en la cual la sustancia reacciona con el oxígeno, por lo general con la
liberación de calor y luz, es decir, es de tipo exotérmica, es característico la formación de
una llama. Chang (2010).
𝐶3𝐻8 (𝑔) + 5𝑂2 (𝑔) → 3𝐶𝑂2 (𝑔) + 4𝐻2𝑂(𝑙)
𝐸𝑐. 6
4.1.4. Reacción de desproporción
Es un tipo especial de reacción Redox. En una reacción de desproporción, un mismo
elemento se oxida y se reduce al mismo tiempo. En una reacción de desproporción un
reactivo siempre contiene un elemento que puede tener por lo menos tres estados de
oxidación el cual se presenta en un estado de oxidación intermedio, es decir, pueden existir
estados de oxidación superior e inferior para el mismo elemento Chang (2010).
2𝐻2𝑂2(𝑎𝑐)−1 → 2𝐻2𝑂(𝑙)
− 2 + 𝑂2(𝑔)0
𝐸𝑐. 7
40
CAPÍTULO V
BATERÍAS
5.1. Batería de Ion litio
5.1.1. Descripción de litio
El litio es un elemento que se encuentra en pocas cantidades en la corteza terrestre,
el litio es un elemento que encabeza la familia de los metales alcalinos de la tabla periódica,
es un metal sólido, ligero, blando de bajo punto de fusión y reactivo. Lenntech BV (2017)
El litio experimento reacciones tanto reactivos orgánicas e inorgánicas, además
reacciona con el oxígeno para formar el peróxido y monóxido, es el único elemento de los
alcalinos metálicos que reacciona con el nitrógeno a temperatura ambiente para producir
nitrito y también reacciona con el hidrogeno que forma hidruro de litio. Lenntech BV
(2017)
Existen tres tipos de baterías de ion litio que se basan de materiales catódicos
diferentes que son: el óxido de cobalto, óxido de manganeso y fosfato de hierro. Lenntech
BV (2017)
La batería de óxido de cobalto-litio tiene la ventaja de su alta densidad de energía,
pero tiene graves problemas de seguridad. La batería de litio-óxido de manganeso es la que
frecuentemente utilizan por sus características y seguridad pero su mal rendimiento a altas
temperaturas es su mayor inconveniente mientras que las de litio-fosfato de hierro tienen
las mejores características de seguridad, además tiene un ciclo de vida largo (más de 2000
ciclos) y una buena disponibilidad. Lenntech BV (2017)
5.1.1.1. La historia de litio
Las primeras baterías de ion litio se desarrollaron en la década de los 70 en los años
1992, se descubrió baterías no recargables, que fue muy viral en el comercio por lo que
desarrollaron baterías de ion litio recargable, pero fallaron debido a los problemas de
seguridad. Cardenas (2015)
41
Al desarrollar muchas investigaciones, en los años ochenta descubrieron que el
ciclaje de carga altera el electrodo de litio reduciendo la inestabilidad térmica y provocando
una potencial fuga térmica, si esto sucede hace que la temperatura de la celda se aproxime
ligeramente al punto de fusión de litio. Cardenas (2015)
En 1991, se comercializa las primeras baterías de li-ion, donde otros investigadores
siguieron ejemplos siendo hoy uno de los químicos más crecimiento obtuvieron en el
mundo.
Han surgido varios tipos de baterías de Li-Ion. La versión original usaba carbón
como electrodo negativo. Desde 1997, la mayoría de las baterías de Li-Ion se han volcado
al uso del grafito. Cardenas (2015)
5.1.1.2. Propiedades de litio
El litio al ser un metal alcalino tiene una reacción destacable con el agua, al
mezclarlos estos elementos entre los que se encuentra el litio en algunos casos emiten luz y
en otros reaccionan violentamente produciendo gran cantidad de energía, de tal manera se
producen los hidrógenos e hidróxidos. Lenntech BV (2017)
El litio se encuentra en la naturaleza en estado sólido en lo magnético, que tiene
aspecto blanco plateado gris y pertenece al grupo de los alcalinos. Lenntech BV (2017)
El número atómico de litio es 3 el cual hace que sea el elementito más ligero que
existe entre los sólidos y puede formar parte de aleaciones como: conductores de calor en
baterías e incluso en la medicina. Lenntech BV (2017)
Y al ser un elemento menos reactivo que el sodio lo podemos encontrar libremente
en la naturaleza. Lenntech BV (2017)
5.1.1.3. Efectos ambientales del Litio
El litio reacciono con los elementos: hidrogeno, oxígeno y nitrógeno siendo más
peligroso la reacción con el hidrogeno ya que se forma hidróxido de litio dando como
resultado un siendo esto potencialmente corrosivo y afecta especialmente a la vida marina
ya que el litio es muy reactivo al agua. Lenntech BV (2017)
42
5.1.2. El funcionamiento de la batería de litio
Durante la carga los iones de litio se mueven hacia el carbono por electrolitos y
durarte la descarga vuelve a su punto de partida que es el óxido de cobalto de litio. Olmo
(2016)
Que para mayor seguridad este tipo de baterías están recubierta de una capa
metálica y un pequeño punto de ventilación, debido al uso extremo este tipo de baterías se
sobre calientan y para evitar una explosión el mismo agujero se encargado de liderar dicha
presión y así evita que la batería se sobre salga. Olmo (2016).
5.1.2.1. Desventajas
La desventaja es que requiere de un buen trato ya que esta se puede deteriorar
irreversiblemente. Dforcesola (2017)
El precio del batería es de 5 a 6 veces de las baterías normales. Dforcesola (2017)
Es un elemento muy escaso en el planeta. Dforcesola (2017)
El litio al ser reactivo requiere de protección y seguridad. Dforcesola (2017)
5.2. Batería de ion sodio
5.2.1. Sodio
El sodio es uno de los metales alcalinos más comunes en la tierra, es muy común en
los siguientes compuestos; sal marina, sal roca, carbonatos y nitratos. Este metal ocupa el
sexto lugar en su abundancia en la corteza terrestre. La palabra sodio tiene diferentes
orígenes como “neter” en la Bliblia, la palabra “natrón” en latín, la palabra “refresco “en
Egipto. Por otra parte en la edad media se le denominó soda, la palabra natrium proviene
del alemán y en la actualidad se lo reconoce como Na (MOREAU, S.F.).
El sodio tiene una textura suave, su color es blanco, brillante y plateado en su estado
de oxidación. Es un metal muy reactivo, se oxida con la presencia del oxígeno y tiende a
tener una reacción impulsiva con el agua. También se puede decir que la mayoría de los
43
minerales están compuestos por el sodio y este es un componente esencial para la vida
humana.
Tabla 4: Estructura atómica del sodio
Número atómico 11
Valencia 1
Estado de oxidación +1
Electronegatividad 0.9
Densidad 968 kg/𝑚3
Masa atómica 22,9898u
Configuración electrónica [Ne]3s1
Símbolo químico Na
Punto de fusión (°C) 97,8
Punto de ebullición (°C) 892
Fuente : Jean Moreau (S.F)
5.2.2. Batería de ión sodio
Las baterías de ion sodio son dispositivos de almacenamiento de energía de un tipo
de batería reusable que utiliza iones de sodio como portadores de carga. Las sales de grado
de sodio son mucho más abundantes que el de litio en la naturaleza y son mucho más
baratos. También estas baterías serán más amigables con el medio ambiente, y más fácil de
reciclar. Por sus características tienden a convertirse en una alternativa rentable,
especialmente para aplicaciones como en almacenamiento de energía en red para fuentes de
energías renovables como la energía eólica y solar. Khun (2014).
44
Para el funcionamiento de una batería ión-sodio fig x, “se utiliza un ánodo de
conversión óxido de hierro recubierto con carbono, un cátodo de intercalación en láminas
de sodio, y un electrólito de perclorato de sodio (NaClO4) en una solución de carbonato de
fluoroetileno y metanosulfonato de etilo (CH3SO3C2H5)” Ibáñez (2014). Su funcionamiento
es igual al de iones de litio ya que durante la descarga, los iones de sodio se transportan
desde el ánodo al cátodo, mientras que los electrones pasan al cátodo a través de un circuito
externo.
Tabla 5: sistema de batería de sodio
Tensión de elemento 2 a 2,5 V
Densidad de energía 90 a 100 Wh/kg
Rendimiento energético sin calefacción 80 a 90%
Vida útil en ciclos proyectado 1000
Sin mantenimiento Sí
Temperatura de servicio 300 a 380oC
Fuente: Reverte (1999)
Figura 17: Batería de Ion sodio
Fuente: Ibáñez (2014)
45
En el sistema de baterías de sodio tanto la batería de sodio-cloruro de níquel como
la de sodio-azufre están compuestas por un electrolito sólido de cerámica de aluminio
conductor de iones. Para poder intervenir en una reacción química los electrolitos solidos se
deben disolver o fundir en temperatura bastante alta. La temperatura de servicio para los
dos sistemas es de 300oC aunque la batería de sodio-cloruro puede seguir funcionando a
temperaturas aún más bajas que las de sodio-azufre. Con los sistemas de batería de sodio
tabla 2 puede desarrollarse vehículos eléctricos superior a 100km. GmbH (1999).
“El rendimiento del prototipo presentado hoy con 90 vatios-hora / kilogramo, su
densidad de energía (la cantidad de electricidad que puede ser almacenada por
kilogramo de la batería) es comparable a ciertas baterías de iones de litio, tales
como la batería de Li-ion de hierro / fosfato, y que su vida (número máximo de
ciclos de carga y descarga) es superior a 2000 ciclos” Cailloce 82015).
La compañía estadounidense Aquion Energy, ha desarrollado baterías de ion-sodio
con capacidades bastantes reconocibles de 5000 ciclos de carga y descarga, usando un
ánodo de carbón, magnesio con sodio para en cátodo y agua como electrolito ya que este
puede ayudar en el transporte de iones de sodio entre los electrodos mientras ocurre la
carga y la descarga. Velasco (2011).
En cuanto al ciclo de vida de esta batería se puede decir que es muy similar al de litio. Las
perspectivas comerciales para estas baterías son bastantes convenientes, por lo cual se
espera que el mercado mundial el 2020 pueda llegar $80 mil millones, el doble de hoy.
Muchas compañías utilizan baterías de tipo plomo ácido por su bajo coste, pero su tiene
capacidad de descarga es muy bajo en comparación al de sodio y las baterías de litio tienen
un costo bastante numeroso, por lo tanto esta sería una opción para abrir camino a nuevas
tecnologías como son las de la batería de sodio informa. Cailloce (2015).
46
5.3. Batería de polímero de lito
5.3.1. Polímeros:
Los polímeros son macromoléculas que se forman mediante la unión seguida de
varias moléculas denominadas monómeros unidas por enlaces covalentes que forman
grandes cadenas. Beltrán & Marcilla (2012).
Las reacciones a través de las cuales estos se obtienen moléculas de monómeros se
conocen como reacciones de polimerización.
Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar
lugar al polímero, se clasifica en:
Polimerización por adición:
Es un proceso en el cual reaccionan monómeros bifuncionales que se van uniendo
para formar una cadena lineal. Tiene lugar mediante la formación de iones
carbocationes o carboaniones.
Polimerización por condensación:
Es la formación de polímeros por mediación de reacciones químicas
intermoleculares que implican más de una especie monomérica.
Las reacciones de este tipo generalmente forman monómero trifuncionales capaces
de generar polímeros entrecruzados y reticulados. Callister (1996).
Los polímeros pueden ser sintéticos o naturales:
Sintéticos:
Figura 18: Estructura de los polímeros
Fuente: Fernández(2015)
47
Contienen entre uno y tres tipos diferentes de unidades que se repiten; son aquellos
polímeros sintetizados a través de procesos químicos en laboratorios o industrias a
partir de materia prima específica. Ejemplo: polietileno, poliéster.
Naturales:
Conocidos también como biopolímeros; son polímeros que presentan estructuras
mucho más complejas, forman parte de los seres vivos. Ejemplo: almidón,
proteínas, ácidos nucleícos.
5.3.1.1. Historia de los polímeros
“En la antigua Grecia se clasificaba a todo material como animal, vegetal o mineral.
Miles de años atrás se degradaban las proteínas de las carnes duras envejeciéndolas o
cocinándolas y también la albumina de huevo se desnaturalizaba calentando o añadiendo
vinagre. Los primeras civilizaciones aprendieron a procesar, teñir y tejer fibras proteínicas
naturales como la lana, la seda; emplearon técnicas rudimentarias de plásticos lo que
permitía curtir las proteínas de las pieles de animales para hacer cuero y para modelar
caparazones de tortuga mediante calor; también utilizaron lacas extraídas a partir de
excrementos de un pequeño insecto denominado cochinilla” Seymour & Carraher(1995).
En 1839 Charles Goodyear realizó el vulcanizado del caucho de la hevea. De la
misma forma, Christian Friedrich Schönbein en 1846 sintetizó accidentalmente el nitrato
de celulosa y en 1868 John W. Hyatt sintetizó el celuloide a partir de nitrato de celulosa”
Seymour & Carraher(1995).
Figura 19: Vulcanizado del caucho
Fuente: Comodoro (2015)
48
5.3.1.2. Propiedades:
Tabla 6: Propiedades de los polímeros
Propiedades Tipo Explicación Ejemplos
Resistencia
Firmeza frente a la presión ejercida sobre
ellos sin sufrir cambios en su estructura. policarbonato
Mecánicas Dureza Capacidad de no romperse. polietileno
Elongación
Capacidad de estirarse sin romperse
cuando se ejerce una presión externa. polibutadieno
Fibras
Presentan baja elasticidad y baja
extensibilidad.
lana, seda,
nylon
Elastómeros
Son materiales con alta extensibilidad y
elasticidad.
caucho,
neopreno
Físicas Plásticos
Se deforman irreversiblemente ante un
esfuerzo.
poliestireno,
acrílico
Recubrimientos
Sustancias normalmente líquidas, que se
adhieren a la superficie de otros
materiales.
Pinturas
Adhesivos
Sustancias que combinan una alta
adhesión y una alta cohesión, lo que les
permite unir dos o más cuerpos por
contacto superficial.
PVAc
Comportamiento
del polímero Termoplásticos
Se caracterizan por presentar cadenas
lineales y ramificadas no unidas.
Polietileno,
nylon
frente al calor Termoestables
Sus cadenas están interconectadas entre sí,
provocado por el calor
Adhesivos de
Poliuretano
Fuente: Portal educativo (2015)
49
5.3.2. Batería de Polímero de litio:
Más conocidas por LiPo, fueron utilizadas inicialmente por Ericsson, el diseño
original se dio en los años 70 usando un polímero sólido como electrolito. Este electrolito
se ensamblaba en un recipiente plástico como una bolsa que no conducía la electricidad, y
que impedía el paso de electrones.
“La batería de Polímero de Litio consiste en una delgada membrana de litio, un
electrolito de polímero y un electrodo de membrana positivo compuesto principalmente por
oxido de vanadio. El grosor de la lámina de 0,1 mm aproximadamente esta enrollada
formando elementos individuales. La temperatura de funcionamiento es de unos 60°C”
(Bosch, 2005).
5.3.2.1. Características
Posee una mayor densidad de potencia que el resto de baterías.
Son más finas o ligeras, o una combinación de ambas.
Estas baterías no padecen el efecto memoria que es un fenómeno que reduce la
capacidad de las baterías con cargas incompletas provocado por la carga de una batería
que todavía no ha sido descargada del todo; la baterías de polímeros de litio pueden ser
recargadas en cualquier momento. Jesús (2015)
Figura 20: Funcionamiento de la Batería de LiPo
Fuente: Bolufer (2014)
50
5.3.2.2. Ventajas
El polímero sólido ofrece ventajas de fabricación, permitiendo alcanzar grosores de 2
milímetros, lo que permite crear baterías con el espesor de una tarjeta de crédito
Isimonc ( 2009 ).
Alta densidad de energía.
Escaso volumen y en un formato plano. Ocupan un pequeño espacio.
Alta tasa de descarga, cercana a las Ni-cd (batería de níquel cadmio).
Alto voltaje por célula, lo que nos permite voltajes de 14 V sin ocupar volúmenes
exagerados.
Escasa resistencia interna, lo cual permite aprovechar casi el 100% de la energía.
5.3.2.3. Desventajas
El Polímero Sólido sufre de baja conductividad por la alta resistencia interna, por lo que
la capacidad de descarga es baja.
No admiten carga rápida.
Se necesita un cargador específico, incluso para carga lenta.
No soportan cortocircuitos, sobrecargas o excesiva temperatura; se hinchan pudiendo
llegar a inflamarse.
No son estables y van perdiendo sus características con el tiempo, aunque no sean
utilizadas. Tienen una duración de vida de tres años.
Tienen un número limitado de cargas, 350 según el fabricante.
Si superan cierta temperatura, tanto en carga, descarga o almacenamiento, se estropean.
Cuando están cargadas, sus componentes se encuentran en un estado muy reactivo.
Poco a poco se van descargando en el proceso.
51
5.4. Batería de Ion potasio
La palabra potasio tiene sus raíces del latín potassium, y éste a su vez del holandés
pottasche que significa ceniza de pote, nombre con cual fue bautizado por Humphry Davy
al descubrirlo en 1807, fue el primer elemento metálico aislado por electrólisis, en su caso
del hidróxido de potasio (KOH), compuesto de cuyo nombre indonesio Kalĭum, del cual
proviene el símbolo químico del potasio (K). Galvis (2013).
El potasio es un elemento químico cuyo aspecto es de una tonalidad blanca
plateada, se lo representa con la letra K, su estado natural es sólido y pertenece al grupo de
los metales alcalinos. Este grupo de elementos se caracterizan por tener un solo electrón en
su nivel energético más externo y tienen tendencia a perderlo formando así un ion mono
positivo (𝐾+). Esta tendencia que tienen los metales alcalinos como el potasio es debida a
su baja energía de ionización y su poca afinidad electrónica. Berg, Stryer, & Tymoczko
(2008).
El potasio es un mineral que nuestro organismo necesita para su correcto
funcionamiento, además comprende en promedio el 2.6% de la corteza terrestre,
convirtiéndolo en el séptimo elemento más abundante del planeta. Berg, Stryer, &
Tymoczko (2008).
Figura 21: Batería de Polímero de Litio
Fuente: Electrónica(2010)
52
Tabla 7: Propiedades del potasio
Número atómico 19
Valencia 1+
Electronegatividad 0.8
Densidad 0.97 kg/𝑚3
Masa atómica 39.098𝜇
Configuración abreviada [Ar]4s1
Símbolo químico K
Punto de fusión 336,53 K o (64,38 °C)
Punto de ebullición 1032 K o (759,85 °C)
Fuente: Galvis (2013)
La batería de ion de potasio es un dispositivo diseñado específicamente para
almacenamiento de energía eléctrica, el cual emplea como electrolito iones de sodio para la
transferencia de carga, parecida a la batería de iones de litio pero con un mayor
rendimiento, siendo esta una mejor opción para sustituir a la batería de ion litio.
La batería de potasio tiene varias ventajas en comparación con otras baterías de ion
metal (Li, Na, K) que son similares a su diseño de la célula de almacenamiento, el diseño es
simple además el material utilizado para su fabricación y el procedimiento que se necesita
para la fabricación de estas células son más económicos. NERSOLAR S.L.
ILUMINACION LED (2013).
El coeficiente de difusión química del ion 𝐾+ en la celda es mayor que la del ion
𝐿𝑖+, en las baterías de litio, lo que se debe a un menor radio de Stokes (fuerza de fricción
de objetos esféricos moviéndose en un fluido viscoso) del 𝐾+ en la solución electrolítica.
Dado que el potencial electroquímico del 𝐾+ es idéntico al del 𝐿𝑖+, el potencial de la célula
es similar respecto a las de iones de litio. Las baterías de potasio pueden aceptar una amplia
53
gama de materiales de cátodo con excelente recargabilidad y materiales más económicos.
Una ventaja notable de la batería de potasio es la disponibilidad de grafito de potasio, que
se utiliza como un material del ánodo en las baterías de iones de litio actuales. Su estructura
estable garantiza una intercalación reversible de los iones de potasio durante el proceso de
carga-descarga. Sánchez (2015).
Figura 22: Variación de la energía
Fuente: Ner solar (2013)
Una de las razones por las que se plantea sustituir el litio por el potasio es por el
motivo económico al ser un elemento abundante en la naturaleza su costo es menor, además
como se muestra en la figura (22) su rendimiento es más equilibrado.
54
CAPÍTULOVI
IMPACTO DE LAS BATERÍAS
En las últimas décadas y principalmente al inicio del nuevo ciclo, se ha
incrementado la fabricación, el consumo y el desecho de aparatos eléctricos como: Mp3,
Ipad, Mp4, computadoras, calculadoras y en gran mayoría los teléfonos celulares que
requieren de pilas y baterías para su funcionamiento por lo que se generan en gran cantidad
de estos residuos sólidos que van al basurero común. Estos almacenadores de energía
tienen componentes que son totalmente contaminantes para el medio ambiente y no son
biodegradables, pueden estar por muchos años en el medio ambiente al aire libre
contaminado suelos, aguas y dañando la salud humana.
6.1.Impacto ambiental
Se denomina contaminación ambiental a la presencia de agentes físicos y químicos
que pueden ser nocivos para la salud humana, la seguridad, el bienestar de la población y
que alteren perjudicialmente las condiciones naturales del mismo. La preocupación por los
efectos de contaminación en la naturaleza por el hombre ha ido cobrando mayor
importancia en estos últimos años.
Las pilas y baterías es una fuente de energía utilizada a gran escala y su inadecuado
tratamiento al finalizar su vida útil genera daños irreversibles ya que los componentes de
estos acumuladores cuentan con materiales tóxicos que se filtran en la atmósfera, en la
tierra, en las capas subterráneas, ríos, mares y finalmente son absorbidos por los seres
humanos.
Las pilas y baterías pueden ser divididas según su uso en: primarias son las se
desechan al finalizar su vida útil (tabla 1); secundarias son las que se pueden recargar y
volverlos a utilizar (tabla 2). Arturo Gavilan García (2009); Tapia (2011).
55
Tabla 8: Clasificación de pilas primarias por su aplicación y su toxicidad
Pila seca o
desechable
Uso Componentes
tóxicos
Toxicidad
Carbón-zinc General 0.01% mercurio Muy baja
Alcalinas de
magnesio
General 0.5% mercurio Tóxicas
Botón óxido de
mercurio (HgO)
Aparatos auditivos y
equipos fotográficos
30% mercurio.
0.3% litio
Muy alta
Litio Equipos de precisión,
computadores,
transmisores, celulares,
agendas electrónicas,
sistema de soporte de
memoria.
10 a 30% Muy alta
Oxido de plata Calculadoras, relojes
electrónicos y cámaras
fotográficas
0,5% mercurio Tóxicas
Fuente: elaborado en base a las pilas en México.
56
Tabla 9: muestra de clasificación de pilas secundaria por su aplicación y toxicidad.
Batería secundaria
o recargable
Uso Componentes
tóxicos
Toxicidad
Níquel-Cadmio (Ni-
Cd)
Artículos electrónicos,
juguetes, teléfonos portátiles,
iluminación de emergencia,
equipos médicos.
Cadmio hasta un
18%
Tóxicas
Níquel Metal
Hidruro (Ni-HM)
Artículos electrónicos
portátiles,
Videocámaras
Níquel 25% Tóxicas
Ion Litio (Ion-Li) Celulares, computadores,
sistemas de sonido portátiles,
cámaras fotográficas y video.
Sin información Tóxicas
Polímero Litio (Li-
poli)
Equipos electrónicos. Sin información Tóxicas
Plomo Uso automotriz, industria y
doméstico.
Sin información Tóxicas
Fuente: elaborado en base a las pilas en México
Las pilas anteriormente mencionadas en la tabla 8 y 9, son arrojadas con el resto de
la basura domiciliaria y estas al descomponerse entran en contacto con la tierra y la
humedad liberando sus componentes químicos que se acumulan contaminándolos. Análisis
químico han mostrado que éstas son responsables del 93% de mercurio, del 47% de zinc,
del 48% de cadmio y del 22% de níquel presente en la basura doméstica. Tapia (2011).
Las pilas y baterías están determinados por la descomposición de los residuos
orgánicos que producen lixiviados corrosivos liberando metales pesados en el medio
ambiente.
57
Los compuestos volátiles o el polvo fugitivo pueden hacer que los contaminantes
contenidos de estos acumuladores de energía viajen a largas distancias provocando daños
en la naturaleza y en el medio ambiente (Tabla 10). Cuando existe incendios en los
vertederos sin sistemas de seguridad el mercurio y el cadmio no se destruyen, más bien
estos residuos son emitidos a la atmosfera y esto aumenta su radio de dispersión en el
ambiente.
Tabla 10 Elementos más comunes y de alto grado de toxicidad en la salud humana y en la naturaleza.
Elemento Efectos
Manganeso Una elevada dosis de este elemento puede provocar alteraciones
neurológicas y psíquicas, lentitud en los movimientos corporales y al ser
inhalado puede generar fallas en la vía respiratoria.
Cadmio Este elemento cancerígeno potencial en animales y humanos, al ser inalado
puede causar lesiones graves en pulmones e ingerirlo produce daños en los
riñones.
Níquel Su toxicidad produce bronquitis crónica, ataques de asma y cáncer del
pulmón.
Mercurio Las sales del mercurio producen daños en la piel y en las mucosas. Este
elemento puede dañar el cerebro, los riñones y aun feto; provocando déficit
en la capacidad intelectual, pérdida de memoria, retraso en el andar o en el
habla, falta de coordinación, ceguera y convulsiones.
Fuente: Dr. Héctor Hugo Figueroa Tapia
6.2.Impacto económico
En la actualidad pilas y baterías son utilizados en casi todos los aparatos ya sean
domésticos o profesionales, esto se debe a que su gran ventaja es la total libertad
energética que es capaz de proporcionar.
58
Ecuador solo importa y no cuenta con empresas productoras de pilas y baterías, a
excepción de las de tipo plomo-ácido. Según el análisis realizado, en el año 2000 el
volumen importado es superior a 1,957 toneladas de pilas y baterías. En cuanto a las
baterías plomo-ácido, el volumen producido anualmente es de 300,000 piezas, volumen
comercializado en el año 2000; Tapia (2011). Se carece el volumen de pilas y baterías
ingresados como contrabando, y en cuanto a la infraestructura de reciclaje no se cuenta con
datos disponibles mientras que existe poca información acerca del reciclaje de plomo-ácido.
6.2.1. Consumo nacional de pilas y baterías
En cuanto a las pilas se obtienen los siguientes resultados:
“Se estima en promedio 10.6 pilas por habitante-año; 10.8 a nivel urbano y 10.5 a
nivel rural (Fig. 23). En un 99% de los casos las pilas son botadas a la basura
doméstica, el 1% indica que las entierran. En cuanto al conocimiento de la
población, acerca de la contaminación que pueden causar las pilas al ambiente, un
16% respondió que saben mucho, un 42% poco y un 42% nada” Tapia (2011).
En la fig. 24 se muestra la cantidad promedio de pilas por rangos de ingresos económicos
por familia.
Figura 23: Consumos de pilas
Fuente Gustavo Solórzano Ochoa
59
Figura 24: Promedio de consumo de pilas
Fuente: Gustavo Solórzano Ochoa
En cuanto a las baterías de plomo-ácido según los datos proporcionados de las
empresas productoras de baterías (Fabribat), anteriormente ya mencionados en el ecuador
se comercializan 300,000 baterías por año.
6.2.1.1.Proyección de consumo nacional de pilas y baterías
Actualmente, y debido a las políticas económicas del país, las empresas productoras
están considerando la posibilidad de incrementar la producción de estos acumuladores de
energía. Pero, existe mucha inquietud por su estabilidad económica ya que tienen
competencias muy altos contra productos importados con precios similares o más bajos, lo
que les hacen pensar en el riesgo de incurrir en más inversiones orientadas, como por
ejemplo; mejorar sus procesos productivos.
6.3.Impacto social
Dentro de las tres grandes dimensiones (ambientales, sociales y económicas) que se
posicionan en torno a un producto o servicio; la dimensión social juega un papel
fundamental ya que este determina la percepción y aceptación de los consumidores
influyendo en el consumo y en la comercialización de los productos.
60
6.3.1. Producción e importación de pilas y baterías
La demanda ecuatoriana de pilas es satisfecha mediante su importación.
“Según estadísticas de importación del Banco Central del Ecuador; durante el año
2000 se importaron al Ecuador un total de 1,957.4 Ton de pilas, clasificadas de la
siguiente manera: 55.6 % cilíndricas, 8.75% botón y 35.6% de las demás
(recargables), como se observa en la figura 3. De las pilas cilíndricas importadas
durante el año 2000, el 90% provienen de los Estados Unidos de Norteamérica,
China y Colombia, el 10% restante proviene de otros países. En lo que respecta a
las pilas “botón”, el 90% proviene de Colombia, Panamá, Estados Unidos y
China.” (Ochoa, S.F.)
Figura 25: Tipos de pilas importadas al Ecuador
Fuente: Gustavo Solórzano Ochoa
En lo que se refiere a baterías de plomo-ácido que son producidas en el país son
utilizadas en gran parte de vehículos tanto en Ecuador como en otros países ya que sus
características son favorables; bajo precio, fácil mantenimiento y seguridad ante las
condiciones. Estas baterías son encontradas con más frecuencia en los mercados de
vehículos.
De las estadísticas del Banco central, en el año 2000 se importaron 1,493.6
toneladas de plomo entre plomo refinado y plomo con antimonio. El contenido de
antimonio utilizado en estas baterías es solo de 5 al 8%. El promedio de plomo empleado
61
es de 10kg, con esta información se podría decir que se producen un total de 149,357
baterías para el consumo interno que abarca el 50% del mercado, el resto son importadas
(Ochoa, S.F.)
6.3.2. Empresas productoras e importadoras de pilas y baterías
En Ecuador no se cuenta con empresas productoras de pilas pero existen tres
importantes empresas productoras de baterías de plomo-ácido: Fabribat que está ubicado
en Quito, Importadora Ottati en Cuenca e importadora Vera en Guayaquil.
Generación aproximada de residuos
Al momento no se cuenta con un dato estadístico que indique el porcentaje de
residuos en pilas ya que no se ha establecido ningún tipo de programa orientado a
establecer el manejo adecuado de estos productos.
Según la información obtenida por (Ochoa, S.F.), sobre el destino de baterías
usadas; el 66% de los encuestados las botan, el 28% los entregan al momento de adquirir
una nueva (Fig.26).
Figura 26: Destinos de las baterías
Fuente: Gustavo Solórzano Ochoa
62
6.3.3. Gestión de pilas y baterías
En el Ecuador solamente existe una empresa productora que recupera las baterías ya
usadas, pero no se reportan instalaciones formales para ello. Para las otros tipos de pilas y
baterías no se cuentan con un sitio para su tratamiento o reciclaje.
Las pilas y baterías son unidades de almacenamiento electroquímica, sus elementos
representan un grave problema ambiental por su alto contenido de toxicidad. Pero la
mayoría de los consumidores desconocen esto, por lo que no tienen un cuidado responsable
al finalizar su vida útil tirándolos junto la basura común. En la mayoría de los casos las
pilas son trasladadas a rellenos sanitarios donde no cuentan con un destino final adecuado.
“Según la cifras de banco central, El ecuador importo 1717,73 toneladas de pilas, en los
años 2009, 2010 y 2011” (MAE) (2017).
En seguimiento a esta problemática, el ministerio del Ambiente (MAE), a través del
acuerdo No 22 remite el instructivo para la gestión Integral de pilas usadas, con el propósito
de mejorar el tratamiento de los mismos para mejorar o proteger el medio ambiente como
también la salud humana.
Este Acuerdo de la gestión integral de pilas usadas asegura que esto se realice de
forma técnica y con menor riesgo posible e impacto ambiental viendo el punto de vista
económico, social y ambiental.
El propósito de esta obra es promover la mayor integridad en la gestión ambiental e
incrementar la participación de la población en la recolección o reciclaje de pilas y baterías.
63
Tabla 11: Impacto social, económico y ambiental de las baterías descritas en el capítulo V
Baterías
Impacto
Social Económico Ambiental
Ion litio
Tiene una buena resistencia a la descarga, por ende consta de una gran capacidad energética y energía específica.
Sus principales aplicaciones son en aeroespaciales y la
electrónica.
Tiene una duración de vida media, es decir de 3 años o más.
Número limitado de cargas: entre 300 y 1000
El precio en la actualidad baja rápidamente debido a su gran penetración en el mercado.
Tiene un valor, aproximadamente de los $ 250
a $500
Tiene una elevada sensibilidad a altas temperaturas, por
lo cual es fácilmente que estas tengan una rápida degradación provocando en su mayoría la explosión.
Ion sodio
Es un elemento con menor densidad energética que el litio pero
abundante en la naturaleza. Sus posibles aplicaciones en consumibles o la repercusión para
la industria y para el medio ambiente.
Actualmente no se cuenta con un número de costo de esta batería. Pero su costo es inferior a
las de más baterías ya que este elemento es de
fácil obtención es inagotable.
En el factor medio ambiental son bastantes amigables ya
que en el campo de energías renovables el
almacenamiento juega un papel fundamental, en la
energía térmica y energía eléctrica. También hay algunos electrolitos que si no son en estado
sólido son disolventes orgánicos y esos siempre tendrán
contaminación o inflamabilidad.
Ion potasio
Fácil obtención.
Permite la carga continua y su completa descarga sin afectar su
capacidad de almacenaje.
La vida útil de esta batería depende del uso continuo de la
misma.
Su costo es bajo a diferencia de las demás
baterías al ser este un elemento de fácil obtención y muy abundante en la naturaleza.
Su costo varía entre 1 a 10 dólares.
Al desechar gran cantidad de baterías de potasio en el agua puede causar infertilidad en la tierra o reducir la
absorción de minerales en las plantas.
Polímero de litio
No admite carga rápida, para su recarga se necesita un lapso de
tiempo mayor a una hora. -Tienen una duración de vida de tres años.
-Número limitado de cargas -350-
-Es utilizados en dispositivos de alta gamma
Su costo es mucho más elevado en comparación de las baterías ya existentes, a
pesar de que sus precios han bajado sigue
siendo la más costosa.
-Su costo varía de 100 a 1000 dólares.
Su composición de litio es inflamable a temperatura ambiente y en el agua.
Si superan cierta temperatura, tanto en carga, descarga o
almacenamiento, se estropean; es decir se hinchan y
pueden llegar a explotar liberando su contenido tóxico.
64
CAPÍTULO VII
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CAPÍTULO VIII
GLOSARIO
Albumina: es una sustancia orgánica nitrogenada, viscosa, soluble en agua, coagulable por
el calor, contenida en la clara de huevo.
Afinidad electrónica: Energía que libera un átomo en estado gaseoso cuando capta un
electrón y se transforma en un ion con carga negativa.
Celuloide: es el nombre comercial del material plástico nitrato de celulosa (plastificado),
que se obtiene usando nitrocelulosa y alcanfor. Es un derivado de la celulosa.
Condensador: Es un componente electrónico que tiene la propiedad de almacenar carga
eléctrica.
Electrodo: Es un conductor eléctrico utilizado para hacer contacto con una parte no
metálica de un circuito
Electrodo de calomelanos: es un electrodo de referencia basado en la reacción entre
mercurio y cloruro de mercurio (I). La fase acuosa en contacto con el mercurio y el cloruro
de mercurio (I), (Hg2Cl2, "calomelano", es una disolución saturada de cloruro de potasio
en agua. El electrodo está normalmente conectado por medio de una porcelana porosa a la
disolución en la que está inmerso el otro electrodo. Este material poroso actúa como un
puente salino.
Energía de ionización: Energía que hay que suministrar a un átomo neutro, gaseoso y en
estado fundamental para arrancarle el electrón más externo.
Hevea: Árbol del caucho, de la familia de las euforbiáceas, sus hojas son palmeadas y su
corteza lisa, de la que se extrae el látex mediante incisiones.
Inserción: desinserción: se les denomina reacciones de intercalación debido a que no existe
una nomenclatura definida
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Interfase: intervalo entre dos fases sucesivas, especialmente referido a las fases de la
división celular.
Ion: Partícula cargada eléctricamente constituida por un átomo o molécula que no es
eléctricamente neutro.
Lixiviados: es el alejamiento de sustancias solubles que son causados por la flujo de agua
por lo tanto es característico de climas húmedas. Este fenómeno hace que los suelos pierdan
sus compuestos nutritivos y se origine toxicidad volviéndolos a estos en acido.
Macromoléculas: moléculas de gran dimensión que poseen una elevada masa molecular y
que están formadas miles de átomos. Pueden ser lineales o ramificadas.
Monómeros: son compuestos de bajo peso molecular que pueden unirse a otras moléculas
pequeñas para formar macromoléculas de cadenas largas comúnmente conocidas como
polímeros.
Metales alcalinos: Grupo de elementos que forman una serie química. Estos elementos se
encuentran situados en el grupo 1 de la tabla periódica.
Nitrato de celulosa: material procedente de la reacción del ácido nítrico con el algodón, en
presencia del ácido sulfúrico. Es muy inflamable y resistente
Polimerización: es una reacción química por la cual los monómeros forman enlaces
químicos entre sí, para dar lugar a un polímero.
Radio de stokes: Fuerza de fricción de objetos esféricos moviéndose en un fluido viscoso.
Urea: Compuesto orgánico muy soluble en agua formado por carbón, nitrógeno, oxígeno e
hidrógeno; se encuentra abundantemente en la orina y en la materia fecal.
Vulcanizado: es un proceso químico para la conversión del caucho o polímeros
relacionados en materiales más duraderos a través de la adición de azufre u otros
equivalentes curativos.
Telegráficas: Adj. de telecomunicaciones de la telegrafía o del telégrafo