Conceptos erróneos sobre el funcionamiento de la batería, los procesos de carga y descarga

Estoy tratando de elaborar una explicación simple (y conceptualmente correcta) de cómo se carga y descarga una batería, y por qué decimos cosas como "la carga almacenada en la batería es x Ah". De momento tengo esto:

Una batería almacena energía química potencial ( energía potencial porque no se utiliza, pero se puede utilizar para realizar un trabajo ), que se puede convertir en energía eléctrica mediante reacciones químicas que se producen en su interior. Esta conversión ocurre cuando está conectado a un circuito.

Carga de la batería: para que los electrones se muevan del terminal positivo al terminal negativo de la batería, el trabajo debe ser realizado por una fuente externa. Este trabajo, que se realiza sobre las cargas eléctricas que se encuentran en el polo positivo, da como resultado la acumulación de energía química potencial en la batería, ya que provoca la inversión de las reacciones químicas que liberan la energía.

Entonces, una batería no almacena carga sino energía. A pesar de esto, en la práctica en muchas situaciones es más importante saber cuánto durará la batería y no cuánta energía almacena. Así, aunque conceptualmente sea erróneo, es habitual decir " Esta batería almacena una carga de x Ah " para indicar durante cuánto tiempo una batería de tensión fija podrá entregar una corriente determinada.

  • Entonces, ¿este pequeño fragmento que he escrito es completamente correcto? ¿Es posible mejorarlo sin renunciar a la sencillez y la concisión?

Además, algunas fuentes afirman que una batería almacena energía potencial eléctrica . Si esto es cierto, entonces mi declaración " Esta conversión [química -> eléctrica] ocurre cuando está conectado a un circuito " será incorrecta.

  • Tengo una pregunta sobre esto: ¿una batería tiene voltaje cuando no se está midiendo? En otras palabras, ¿una batería mantiene una diferencia de potencial eléctrico incluso cuando no se usa?

  • Si es así, ¿significa que la batería convierte energía química potencial en energía eléctrica todo el tiempo e intensifica esta conversión cuando se usa ?

1ª mejora (ATENCIÓN: Este texto aún contiene errores conceptuales)

Una batería almacena cargas (electrones) , que quedan unidas en los compuestos químicos que se forman en la superficie de sus electrodos. Debido a esto, también podemos decir que la batería almacena energía química potencial ( energía potencial porque no se está utilizando, pero se puede utilizar para hacer trabajo y química porque esta energía se almacena en compuestos químicos ). Teniendo en cuenta que esta energía potencial se debe a los electrones, también podemos decir que una batería almacena energía eléctrica potencial . (Ambos medidos en julios).

Debido a las diferentes cantidades de electrones enlazados en los compuestos químicos del electrodo, un electrodo se queda con exceso de electrones , mientras que el otro se queda con agotamiento de electrones . Entonces, llamamos a la primera terminal negativa y a la última terminal positiva . Teniendo esto en cuenta, podemos decir que la batería tiene una diferencia de potencial entre sus terminales. Mientras que normalmente medimos una diferencia de energía en joules, cuando se trata de cargas hay una medida más útil: la diferencia de energía (J) dividida por la cantidad de carga (C). Esto se llama tensión o diferencia de potencial eléctrico o diferencia de potencial electroquímico .

Descarga de la batería:

Cuando la batería está conectada a un circuito, comienza el proceso de descarga. En este proceso, las reacciones químicas liberan la energía potencial eléctrica/química. En otras palabras, los electrones atados en los compuestos químicos comienzan a soltarse y moverse alrededor del circuito, hasta que alcanzan la terminal positiva. Tenemos aquí la conversión de la energía eléctrica/química potencial en energía eléctrica . Este proceso dura mientras exista una diferencia de potencial entre los terminales de la batería.

Bateria cargando:

Para que los electrones se muevan de la terminal positiva a la terminal negativa de la batería, el trabajo debe ser realizado por una fuente externa. Este trabajo, que se realiza sobre las cargas eléctricas que están en el terminal positivo, resulta en la acumulación de energía eléctrica/química potencial (y, en consecuencia, acumulación de carga) en la batería, ya que provoca la inversión de las reacciones químicas que liberan electrones En otras palabras, los electrones de la batería se unen en nuevos compuestos químicos que se forman en la superficie de los electrodos debido al trabajo externo. Este proceso dura hasta que el voltaje de la batería es menor que la carga aplicada.

La unidad de amperio-hora:

Se podrían decir cosas como " Esta batería almacena x J de energía ", pero en la práctica, en la mayoría de las situaciones, es más importante saber cuánto durará la batería y no cuánta energía almacena. Entonces, es más habitual decir " Esta batería almacena una carga de y Ah" , porque esto indica por cuánto tiempo una batería de voltaje fijo podrá entregar una corriente dada.

  • Entonces, ¿son esas explicaciones conceptualmente correctas ahora?
  • ¿No exige el Principio de Conservación de Cargos que la cantidad de cargos que ingresan en una terminal debe ser igual a la cantidad de cargos que salen de la otra terminal? Si es así, ¿cómo se pueden almacenar cargas en la batería cuando se está cargando? ¿Qué estoy malinterpretando aquí?
Si pongo un balde en una escalera de tijera y lo lleno de agua, su energía potencial aumenta. ¿Estás diciendo que un balde no almacena agua?
¿Estudió algún proceso electroquímico relacionado con el proceso de carga y descarga de la batería? Cuando ves ecuaciones químicas, ¿notaste símbolos como "+e" o "-e" allí? Las baterías almacenan cargas, pero a diferencia de los electrones desnudos que se acumulan en las placas de metal de los condensadores ordinarios, los electrones de las baterías se unen en nuevos compuestos químicos que se forman en la superficie de los electrodos. Continúan formándose hasta que la barrera de potencial local se iguala con el voltaje de carga aplicado. Cuando se elimina el voltaje externo, la batería expone el potencial interno, usado o no.
@Ale..chenski Este enlace establece lo siguiente: Sí, es cierto que una corriente puede describirse como cargas eléctricas en movimiento. Sin embargo, no es cierto que estas cargas estén 'almacenadas en la batería'... Si quisiera decir que un capacitor almacena carga, estaría bien. Pero en este caso, el tipo está usando una batería y no un condensador". . ¿Cómo reconcilio lo que dijiste con este enlace, o el enlace es incorrecto?
¿Cómo conciliar? Solo puedo repetir: "Las baterías almacenan cargas, pero a diferencia de los electrones desnudos que se acumulan en las placas de metal de los condensadores ordinarios, los electrones de las baterías se unen en nuevos compuestos químicos que se forman en la superficie de los electrodos". Algunos pueden llamarlo "energía potencial química" y representar la corriente como "cinta transportadora". No veo mucho valor en esas explicaciones simples.
@Ale..chenski. Todavía estoy confundido. ¿No exige el Principio de Conservación de Cargos que la cantidad de cargos que ingresan en una terminal debe ser igual a la cantidad de cargos que salen de la otra terminal? Si es así, ¿cómo se pueden almacenar cargas en la batería cuando se está cargando? ¿Qué estoy malinterpretando aquí?

Respuestas (2)

No existe una distinción física fundamental sobre cómo los sistemas de almacenamiento de energía electroquímica (EES) gestionan el proceso de carga y descarga, en términos de "cargas". Aquí hay un artículo de revisión que explica todo el espectro de EES, desde capacitores ordinarios (almacenan energía en un campo eléctrico simple entre dos electrodos metálicos separados), hasta doble capa (también conocidos como "supercondensadores") y "pseudocondensadores". , que termina en baterías recargables, que acumulan cargas al unir electrones-protones en compuestos químicos, y viceversa.

Aquí hay una ilustración de un espectro casi continuo de posibles construcciones que usan métodos algo diferentes para almacenar diferencias de carga "electrón-protón":

ingrese la descripción de la imagen aquí

Puede ser difícil simplificar este campo bastante avanzado de ingeniería y estudios en términos de "baterías para tontos".

Gracias, intentaré leer el artículo.

Después de leer este enlace , en un sitio que trata, entre otras cosas, conceptos erróneos sobre electricidad, encontré una explicación que me indicó el camino para resolver mis conceptos erróneos. Este sitio fue recomendado en esta respuesta altamente votada , por lo que asumo que es una fuente confiable. Reproduciré a continuación algunos fragmentos relacionados con mi pregunta.

LAS BATERÍAS ALMACENAN CARGA, ¿Y ESTA CARGA FLUYE EN LOS CABLES? No.

La palabra "cargo" tiene más de un significado, y los significados se contradicen entre sí. La "carga" en una batería es energía (energía química) , mientras que la "carga" que fluye dentro de los cables es parte de la materia, son partículas de electrones. Y esos cables, aunque llenos de carga... ¡están neutros y sin carga! El término "carga" se refiere a varias cosas diferentes: carga neta, cantidades de partículas cargadas y "cargas" de energía. Si no tiene mucho cuidado al usar la palabra "cargar" en la enseñanza, es posible que esté difundiendo conceptos erróneos.

[...]

Otro: cuando "cargas" una batería, haces que aparezca una corriente eléctrica en el electrolito, y este movimiento de cargas eléctricas provoca reacciones químicas en las superficies de las placas de la batería. El "combustible" químico se acumula, pero la carga no : las cargas fluyen hacia (o desde) las superficies de las placas y no se acumulan allí. (La ruta de la corriente eléctrica es a través de la batería. A través y de regreso). Una "carga" de energía química se almacena en la batería, pero no la carga eléctrica. Y cuando una batería se "descarga", su combustible químico impulsa un proceso que bombea carga a través de la batería. Durante la descarga, el combustible de la batería eventualmente se agotará,

He aquí una forma de imaginar el proceso: una batería es como una bomba de agua accionada por un resorte que se mueve hacia arriba . Envía agua hacia atrás a través de esta bomba y enrollas el resorte interno. Luego, proporcione un camino entre la entrada y la salida de la bomba, y el motor de resorte bombeará el agua en un círculo. Pero ahora piense por un momento: el agua es la carga, ¡pero nuestra bomba de cuerda no almacena agua!Cuando "cargamos" nuestra bomba de cuerda, enviamos la carga (agua) a través de la bomba, y esto almacena energía al enrollar el resorte. Lo mismo con una batería: para "cargar" una batería, enviamos cargas eléctricas a través de la batería y las volvemos a sacar. Esto hace que los químicos en las placas de la batería almacenen energía, al igual que enrollar el resorte en nuestra bomba de agua accionada por resorte. ¿Ves cómo "carga" y "cargos" pueden crear un horrible lío de malentendidos? Cuando este lío llega a los libros de texto K-12, y los educadores comienzan a enseñárselo a los niños, los niños terminan creyendo que la electricidad es demasiado complicada para que la entiendan. Sin embargo, la culpa no es de los estudiantes!!!!

Entonces, corrigiendo los conceptos erróneos de mi comprensión y respondiendo mis preguntas:

  1. Una batería es un dispositivo que es capaz de almacenar energía eléctrica en forma de energía química , y convertir esa energía en electricidad;
  2. También podemos decir que la batería almacena energía potencial química ( energía potencial porque no se está utilizando, pero se puede utilizar para hacer trabajo y química porque esta energía se almacena en compuestos químicos );
  3. No podemos decir que la batería almacena energía potencial eléctrica . Una batería tiende a mantener la energía potencial eléctrica en cada uno de sus terminales, pero la energía almacenada en la batería no es de la separación de cargas, es de las reacciones redox (energía química). Compárese con el condensador, cuya energía se almacena en forma de energía potencial eléctrica, debido a la separación de cargas en sus placas.
  4. Las reacciones químicas que ocurren dentro de una batería ocurren incluso cuando está desconectada de un circuito. Así, las baterías tienen tensión aunque no se estén utilizando o no se esté midiendo su tensión. (Ver Explicación del Punto 4 a continuación)
  5. Una batería tiene una cantidad fija de carga en su interior. Cuando se está cargando, no almacena los electrones que entran en el terminal (+). La misma cantidad que entra por el terminal (+), sale de la batería por el terminal (-). No hay violación del Principio de Conservación de Carga aquí.
  6. Cuando uno dice cosas como "Esta batería almacena 80 Ah de carga" , eso significa que 80 Ah (288.000 Culombios) entraron y salieron de la batería cuando estaba cargada, induciendo la reversión de las reacciones redox, y si la batería está conectada a un circuito Puede hacer pasar hasta 80 Ah (288.000 Culombios) de carga a través de él . Y esta unidad (Ah) se usa en la práctica porque da una idea de cuánto durará la batería: indica cuánto tiempo una batería de voltaje fijo podrá entregar una corriente dada.

Explicación del punto 4:

Uno de sus terminales, el ánodo, puede "producir" electrones por reacción de oxidación , haciendo que el entorno que lo rodea sea negativo, y el otro, el cátodo, puede "consumir" electrones por reacción de reducción , haciendo que el entorno que lo rodea sea positivo. Estos procesos pueden ocurrir (de forma limitada) incluso cuando la batería está desconectada de un circuito y así "siempre" (hasta que se alcanza el equilibrio) tenemos una separación de carga , lo que resulta en una diferencia de potencial eléctrico (voltaje).

Para entender mejor esto, citaré una respuesta dada por Alfred Centauri en Physics.SE :

Considere por un momento, una celda que no está conectada a un circuito , es decir, no hay camino para la corriente externa a la celda.

Las reacciones químicas dentro de la celda eliminan electrones del cátodo y agregan electrones al ánodo. Por lo tanto, a medida que avanzan las reacciones químicas, se genera un campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo debido a las diferentes densidades de carga .

Resulta que este campo eléctrico actúa para reducir la velocidad de las reacciones químicas dentro de la célula. En algún momento, el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte como para detener efectivamente las reacciones químicas dentro de la celda. El voltaje a través de las terminales de la celda, debido a este campo eléctrico, es entonces constante y este es el voltaje de circuito abierto de la celda.

Si se conecta un circuito externo a la celda, los electrones fluyen desde el ánodo a través del circuito externo y hacia el cátodo, lo que reduce la diferencia en las densidades de carga, lo que a su vez reduce el campo eléctrico lo suficiente como para que las reacciones químicas vuelvan a tener lugar. mantener la corriente eléctrica a través del circuito.

Cuanto mayor sea la corriente externa, mayor será la tasa requerida de reacciones químicas y, por lo tanto, menor será el voltaje entre los terminales. Siempre que la corriente del circuito sea significativamente menor que la corriente máxima que pueden soportar las reacciones químicas, el voltaje en los terminales de la batería estará cerca del voltaje del circuito abierto.

Lecturas adicionales + Referencias:

Conceptos erróneos sobre el funcionamiento de la batería, los procesos de carga y descarga
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