Pilas y acumuladores

¿Qué son las pilas y los acumuladores?

Las pilas y los acumuladores son dispositivos que permiten la obtención de energía eléctrica por transformación de la energía química. El conjunto de pilas o acumuladores se denomina batería. Estos dispositivos se emplean en una gran variedad de usos que van desde aparatos eléctricos y electrónicos (ordenadores, teléfonos móviles, herramientas, equipos médicos, juguetes, etc.), en la automoción para vehículos de combustión y para tracción de vehículos eléctricos, en vehículos eléctricos ligeros como patinetes y bicicletas, para el almacenamiento de energía de fuentes estacionarias, así como múltiples aplicaciones en usos industriales. En los últimos años se ha experimentado un aumento del consumo de pilas y acumuladores y se prevé un incremento importante de la demanda (el World Economic Fórum estima que el consumo se multiplicará por 14 entre 2018 y 2030), principalmente por el incremento del transporte eléctrico, en la transición hacia una energía limpia. El aumento en el consumo de pilas y acumuladores conlleva un aumento equivalente en el consumo de recursos naturales, algunos de ellos son escasos y no se encuentran fácilmente disponibles en la Unión Europea, siendo consideradas materias primas fundamentales por la Comisión Europea. Al aumentar el consumo se produce un incremento en la generación de residuos de pilas y acumuladores los cuales deben ser gestionados, recuperando los componentes valiosos y minimizando su impacto ambiental.

Tanto determinados requisitos acerca de la puesta en el mercado de pilas y acumuladores, como la gestión de los residuos que se generan al final de su vida útil, están regulados por la normativa europea que ha sido traspuesta al ámbito estatal:


La Directiva está siendo revisada en la actualidad, en el marco del Plan de Acción para la Economía Circular. Así, actualmente está bajo procedimiento legislativo ordinario una propuesta de Reglamento que persigue el objetivo de garantizar que la cadena de valor las pilas y acumuladores comercializados en la UE sea más sostenible, circular y segura a lo largo de todo su ciclo de vida.

ESQUEMA ECONOMÍA CIRCULAR

ESQUEMA ECONOMÍA CIRCULAR

 

Dada la importancia que cobra el sector de las baterías de cara a conseguir la neutralidad climática antes de 2050, la Unión Europea ha puesto en marcha un Plan de acción estratégico para las baterías que emana del Pacto Verde Europeo, con el que se pretende fomentar la inversión en tecnologías para la fabricación de baterías en Europa, tradicionalmente en manos de países asiáticos como China, Corea del Sur y Japón. Así mismo, el Plan tiene como objetivo garantizar la disponibilidad de las materias primas necesarias para la fabricación de baterías, algunas de ellas escasas en los países de la Unión Europea. También se persigue que las baterías al final de su vida útil causen el menor impacto medioambiental posible, se reutilicen, remanufacturen o reciclen, de forma que los materiales valiosos se reincorporen a la economía.

Tipos de pilas, acumuladores y baterías

Existe una gran variedad de tipos de pilas y acumuladores. Atendiendo a su constitución se pueden clasificar en los siguientes tipos:

  • Pilas: constituidas por uno o varios elementos primarios que no pueden ser regenerados y por tanto no son recargables. 
  • Acumuladores: constituidos por uno o varios elementos secundarios que pueden ser regenerados. Es decir, una vez agotado el acumulador se pueden regenerar los elementos activos, por tanto, su vida puede contemplar varios ciclos de carga y descarga, cosa que no ocurre con la pila. Se denominan también pilas recargables. 
  • aterías: conjunto de pilas o de acumuladores conectados entre sí en serie o en paralelo, formando una unidad integrada y cerrada dentro de una carcasa exterior no destinada a ser desmontada ni abierta por el usuario final (ejemplo: batería de automoción). Pueden ser baterías no recargables o recargables.

En cuanto a su funcionamiento, las pilas y acumuladores se componen, en general, de celdas electrolíticas que contienen dos placas o electrodos de metales distintos (cátodo y ánodo) dentro de una solución iónica o electrolito (sólido, líquido o pastoso) en el que se producen las reacciones químicas con intercambio de electrones (medio conductor de electrones entre ambas placas, que es el que determina su composición química). Las celdas contienen una membrana porosa para separar los elementos activos. Los electrodos están conectados a un circuito externo a través del cual se mueven los electrones. Las celdas electrolíticas se encuentran en un recipiente metálico o plástico.

Esquema de una celda electrolítica

ESQUEMA DE UNA CELDA ELECTROLÍTICA

La composición de las pilas y acumuladores es muy variada, lo cual les confiere diferentes densidades de carga eléctrica y otras propiedades que determinarán su uso en equipos portátiles, en automoción o en la industria. Aquellas que contengan cadmio, mercurio y plomo deberán ir marcadas con el símbolo químico (ver apartado de obligaciones).

A continuación, se enumeran los principales tipos que se comercializan y su composición química:

  • Pilas salinas o de zinc-carbono. Son las pilas comunes, cilíndricas o prismáticas. Contienen Zinc metálico que se oxida en medio ácido. El electrolito, que es de cloruro de zinc y cloruro de amonio, se encuentra en una matriz de dióxido de manganeso. Se completa con un electrodo de grafito (carbono).
  • Pilas alcalinas o pilas de manganeso: Suelen ser cilíndricas o prismáticas y están compuestas por pasta de zinc e hidróxido de potasio como electrolito, el cual se encuentra en una matriz de dióxido de manganeso. Llevan un electrodo de carbón o grafito. Se usan en equipos portátiles y en la industria.
  • Pilas botón de mercurio, alcalinas. Exteriormente se construyen de acero y constan de un electrodo de óxido de mercurio con polvo de grafito, electrolito compuesto de hidróxido de potasio embebido en un material esponjoso absorbente y pasta de zinc disuelto en mercurio. Se usan en equipos portátiles pequeños.
  • Pilas botón de zinc-aire. Contienen oxígeno, zinc, mercurio e hidróxido de potasio como electrolito.
  • Pilas botón de óxido de plata. Contienen óxido de plata, amalgama de zinc e hidróxido de potasio y mercurio como electrolito.
  • Acumuladores y baterías de níquel/cadmio. Están constituidos por níquel laminado y cadmio separado por nylon o polipropileno, enrollado en forma de espiral. Su uso en equipos portátiles es cada vez menor debido a la peligrosidad del cadmio. Se usan habitualmente en la industria.
  • Acumuladores y baterías de níquel/metal-hidruro. Están compuestas por óxido de litio, carbono -grafito- y solventes orgánicos. Se usan tanto en equipos portátiles, como en automoción y en el sector industrial.
  • Estos tipos de pilas y acumuladores adicionalmente pueden presentar plomo o cadmio para mejorar su construcción, o mercurio para limitar la corrosión. No obstante, la legislación limita el contenido de cadmio y de mercurio en todo tipo de pilas y acumuladores, debido a la toxicidad de estas sustancias para las personas y el medio ambiente. Ver apartado de obligaciones.
  • Pilas, acumuladores y baterías de ion-litio. El litio se sitúa en el ánodo directamente como metal o sobre algún elemento que lo albergue como el coque de petróleo. Son varios los elementos que pueden ser usados como cátodo: disulfuro de hierro-litio, litio-cloruro de tionilo, dióxido de manganeso-litio, monofluoruro de policarbonato-litio, etc. Hasta hace poco la mayor demanda de baterías de litio era el sector de la electrónica de consumo. Para 2030, se estima que aproximadamente el 85% de la demanda de baterías de litio (en términos de su capacidad) provendrá de vehículos eléctricos (baterías de tracción), y el resto se utilizará en electrónica de consumo y para almacenamiento de energía estacionaria. Existen otros tipos de baterías basadas en el litio, debido a la gran capacidad de ceder electrones que tiene este metal y su ligereza. Algunas de ellas están en fase de investigación y otras en experimentación, por lo que aún no se comercializan. En un futuro próximo se encontrarán en el mercado. Ver apartado sobre baterías para vehículos eléctricos.
  • Baterías de plomo. El principio básico de la batería convencional es una placa de rejilla fundida de una aleación de plomo y antimonio. El antimonio fortalece el plomo blando, mejora la adhesión de la masa activa y protege contra la corrosión. En función de sus aplicaciones se pueden dividir en cuatro categorías principales:

  1. arranque (normal, auxiliar y start-stop), 
  2. ciclo profundo (abastecen energía sostenida durante un período prolongado hasta que se descargue al 80%), 
  3. dual (consumo y arranque) y 
  4. reserva o estacionaria (almacenar grandes cantidades de energía y la suministran a una potencia constante). 
Existen diferentes tecnologías, en función de su composición química:

  • Baterías de celdas húmedas o plomo-ácido, en las que una serie de placas de plomo con polaridad positiva y negativa, alternadas, están sumergidas en una solución de ácido sulfúrico. Esta tecnología suele denominarse «SLI» en referencia a las funciones principales de la batería de un vehículo: arranque, alumbrado y encendido (starting, lighting and ignition).
  • Baterías de plomo-cristal. Está compuesta por placas de plomo y un ácido líquido SiO2 como electrolito que sustituye al ácido sulfúrico de la batería de plomo-ácido tradicional. Durante las primeras cargas, el electrolito reacciona con las placas de plomo formando con ellas una estructura cristalina y compacta, de ahí su nombre. Se emplean para aplicaciones estacionarias como ciclo profundo.
  • Baterías de plomo-carbono. Estas baterías combinan las placas de plomo con carbono avanzado, que añadido a los electrodos negativos aumenta la potencia y reduce la sulfatación, lo que prolonga la duración de la batería. Se utilizan para disminuir el impacto del estado de carga parcial (EDCP) en las baterías de ciclo profundo en aplicaciones de placas solares y equipos de telecomunicación.
  • Baterías de calcio. En este caso, las placas de plomo también están aisladas entre sí por unas rejillas de una aleación de calcio-plata, sumergidas en el electrolito de agua-ácido. 
  • Baterías presurizadas o VRLA (valve regulated lead acid) que pueden ser de dos tipos:

  1. de gel, en las que electrolito se inmoviliza mediante la adición de pirólisis de sílice, que espesará el electrolito en una sustancia gelificada. Las baterías de gel se producen con placas planas, o con placas tubulares. 
  2. AGM, en las que las placas positivas y negativas son de una aleación de calcio, separadas por esteras de fibra de vidrio microporosas, en el que el electrolito es absorbido por acción capilar. La técnica se llama Material Vidrio Absorbente (siglas en inglés AGM).

Resumen clasificación de pilas y acumuladores

COMPOSICIÓN

TIPOS

FORMAS

Zinc-carbono

Portátiles (estándar, salinas)

Cilíndricas

Prismáticas

Otros

Óxido de Manganeso

Portátiles (alcalinas y botón)

Industriales (alcalinas)

Mercurio

Portátiles botón

Botón (diámetro > altura)

Óxido de Manganeso

Zinc-aire

Óxido de plata

Níquel-Cadmio

Portátiles

Automoción

Industriales

Cilíndricas

Prismáticas

Níquel-metal hidruro

Portátiles

Automoción

Industriales

Cilíndricas

Prismáticas

Otros

Ion-litio, litio

Varios tipos de cátodo

Portátiles (estándar y botón)

Automoción

Industriales

Cilíndricas

Botón

Planas

Otras

Estado sólido

Li-Dióxido de carbono

Li-grafeno

Plomo

plomo-ácido

Portátiles

Automoción

Industriales

Prismáticas

Otros

Plomo-cristal

Automoción

Industriales

Plomo-carbono

Calcio

Presurizadas o VRLA

Flujo redox

Automoción

Prismáticas

Otros

ZEBRA

Aluminio-aire

Zinc-aire

En cursiva aquellas pilas y acumuladores que están en fase experimental
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