Historia de la Pila

Pila voltaica

En 1780, Luigi Galvani estaba diseccionando una rana, sujeta con un gancho de metal. Cuando tocó la pata de la rana con su bisturí de hierro, la pierna se encogió como si el animal aún estuviese vivo. Galvani creía que la energía que había impulsado la contracción muscular observada venía de la misma pierna, y la llamó "electricidad animal".

Sin embargo, Alessandro Volta, un amigo y colega científico, no estaba de acuerdo, creyendo que este fenómeno estaba causado realmente por la unión o contacto entre dos metales diferentes que estaban unidos por una conexión húmeda. El propio Volta verificó experimentalmente esta hipótesis, y la publicó en 1791. Fue perfeccionada hasta que, en 1800, Volta inventó la primera bateria o generador electroquimico capaz de producir una corriente electrica mantenida en el tiempo, y por ello fue conocida como pila voltaica.

La pila voltaica consiste de pares de discos de cobre y zinc apilados uno encima del otro, separados por una capa de tela o de cartón impregnado en salmuera (este era el electrolito). A diferencia de la botella de Leyden, la pila voltaica producía una corriente continua y estable, y perdía poca carga con el tiempo cuando no se la utiliza, aunque sus primeros modelos no podían producir una tensión lo suficientemente fuerte como para producir chispas.

Volta creía que la corriente se producía como resultado de la unión entre dos materiales diferentes, con sólo tocarse uno al otro (esta teoría científica obsoleta fue conocida como la tensión de contacto), y no como resultado de reacciones químicas. En consecuencia, consideró que la corrosión que sufrían las planchas de zinc podía ser un defecto relacionado que tal vez podría corregirse de alguna manera con el cambio de materiales. Sin embargo, ningún científico había conseguido evitar esta corrosión. De hecho, se observó que la corrosión era más rápido cuando se producía más corriente. Esto sugirió que la corrosión era realmente parte integrante de la capacidad de la la batería para producir una corriente. Esto, en parte, llevó al rechazo de la teoría de la tensión de contacto en favor de la teoría electroquímica.

Los modelos de pila originales de Volta tienen algunos fallos técnicos, como fugas del electrólito y cortocircuitos provocados debido al peso de los discos que comprimen los paños empapados en la salmuera. El inglés William Cruickshank resolvió este problema mediante la fijación de los elementos en una caja en lugar de amontonarlos en una pila. Esto fue conocido como la batería de artesa. El propio Volta diseñó una variante que consiste en una cadena de vasos llenos de una solución de sal, unidos por arcos metálicos sumergidos en el líquido. Esto fue conocido como la Corona de Copas o pila de corona. Estos arcos estaban hechos de dos metales diferentes (por ejemplo, zinc y cobre), soldados entre sí. Este modelo también demostró ser más eficiente que las pilas originales, aunque no fue tan popular.

Otro problema de las pilas de Volta era su corta duración (una hora en el mejor de los casos), lo cual estaba causado por dos fenómenos. El primero era que la corriente producía la electrolisis de la disolución de electrólitos, lo que originaba una película de burbujas de hidrógeno que se formaban en el electrodo de cobre, que aumentaba constantemente la resistencia interna de la batería. El otro era un fenómeno llamado de acción local, por el cual se formaban minúsculos cortocircuitos en torno a las impurezas del cinc, causando su degradación. Este último problema fue resuelto en 1835 por William Sturgeon, quien descubrió que mezclando algo de mercurio con el zinc se eliminaba este inconveniente.

A pesar de sus defectos, las pilas de Volta proporcionaban una corriente más permanente que las botellas de Leyden, e hizo posible muchos experimentos y descubrimientos nuevos, como la electrolisis del agua.

Pila Daniell

Un químico británico llamado John Frederic Daniell buscó una manera de eliminar el problema de las burbujas de hidrógeno que aparecen en la pila voltaica, y su solución fue utilizar un segundo electrolito para consumir el hidrógeno producido por el primero. En 1836, inventó la pila Daniell, que consistía 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 acido sulfúrico y un electrodo de zinc. La barrera de barro era porosa, lo que permitía a los iones pasar a través suya, pero impedía la mezcla de las dos disoluciones. Sin esta barrera, cuando no había corriente se comprobó que los iones de cobre (II) se derivaban hacia el ánodo de zinc y sufrían la reducción sin producir una corriente, destruyendo la vida de la batería.

Con el tiempo, la acumulación de cobre podría bloquear los poros de la barrera de barro y acortar la vida de la batería. Sin embargo, la celda de Daniell proporcionan una corriente mayor y más fiable que la pila voltaica, debido al depósito de cobre electrolítico en el cátodo (un conductor) en lugar de hidrógeno (un aislante). También era más segura y menos corrosiva. Tenía una tensión de funcionamiento de alrededor de 1,1 voltios. Fue ampliamente utilizada en las redes de telégrafo, hasta que fue suplantada por la pila Leclanche a finales de la década de 1860.

Pila de Grove

La pila de Grove fue inventada por William Robert Grove en 1844 y es una modificación de la pila Daniell. Consistía en un anodode zinc sumergido en acido sulfurico y un catodo de platino sumergido en acido nitrico, separados por barro poroso. La pila de Grove proporcionaba una corriente elevada y un voltaje casi dos veces superior al de la pila Daniell, por lo que fue la favorita de las redes telegráficas de América durante un tiempo. Sin embargo, se desprendían vapores tóxicos de óxido nítrico cuando estaba en operación. La tensión también se reducía considerablemente cuando la carga disminuía, lo que llegó a ser una responsabilidad cuando las redes telegráficas se hicieron más complejas.

Pila de plomo-acido: primera "pila" recargable

Hasta este punto, todas las baterías existentes debían ser vaciadas de forma permanente cuando se agotaban los reactivos y finalizaban todas sus reacciones químicas. En 1859, Gaston Planté inventó la bateria de plomo-ácido, el primer acumulador, o sea, la primera batería que puede recargarse (en realidad, regenerar las sustancias químicas gastadas) haciendo pasar una corriente en sentido inverso a través de ella. Una bateria de plomo bateria de plomo-ácido se compone de un ánodo de plomo y un cátodo de dioxido de plomo sumergidos en acido sulfúrico. Ambos electrodos reaccionan con el ácido para producir sulfato de plomo (II), pero la reacción en el ánodo de plomo libera electrones mientras que la reacción en el óxido de plomo los capta, lo que produce una corriente. Estas reacciones químicas pueden ser revertidas mediante la aplicación de una corriente en sentido inverso, lo que permite recargarla, al igual que se de debe hacer antes de su primer uso.

El primer diseño de Planté consistía en dos placas de plomo separadas por bandas de goma y enrolladas en espiral.Sus baterías se utilizaron por primera vez para alimentar la luz en los vagones del tren mientras se detenía en una estación. En 1881, Camille Alphonse Faure inventó una versión mejorada que consistía en una celosía o rejilla de plomo en la que se apelmazó una pasta de dióxido de plomo, formando una placa. Varias planchas podían apilarse para obtener un mayor rendimiento. Este diseño fue más fácil de producir en masa.

Celda de gravedad

Esta variante particular de la pila Daniell , también es conocida como celda de pata de gallo debido a la forma distintiva de uno de sus electrodos.

En algún momento durante la década de 1860, un francés con el nombre de Callaud inventó una variante de la pila Daniell llamada celda de gravedad. Esta versión más simple prescindió de la barrera porosa. Esto redujo la resistencia interna del sistema y por lo tanto la batería produjo una corriente más intensa. Rápidamente se convirtió en la batería de elección para las redes telegráficas americanas y británicas, y se utilizó hasta la década de 1950. En la industria del telégrafo, esta batería se montaba a menudo in situ por los propios trabajadores de telégrafos, y cuando ésta se agotaba, era renovada mediante la sustitución de los componentes consumidos.

La celda de gravedad consistía de un frasco de vidrio, con un cátodo de cobre asentado en la parte inferior y un ánodo de zinc (con forma parecida a una pata de gallo), colgado por debajo del borde. Se esparcían cristales de sulfato de cobre (II) junto al cátodo, y el frasco se llenaba con agua destilada. Cuando la corriente circulaba, se formaba una capa de disolución de sulfato de zinc en la parte superior junto al ánodo. Esta capa superior se mantenía separada de la capa de sulfato de cobre del fondo por su menor densidad y por la polaridad de la célula.

Por la celda de gravedad tenía que estar circulando, de modo continuo, una corriente para evitar que las dos disoluciones se mezclaran por difusion, por lo que esta celda no era adecuada para un uso intermitente.

 

Pila leclanche

En 1866, Georges Leclanche inventó una batería que consistía en un ánodo de zinc y un cátodo de dioxido de manganeso envueltos en un material poroso, sumergidos en un frasco de disolución de cloruro de amonio. El cátodo de dióxido de manganeso estaba mezclado con un poco de carbono que mejoraba la conductividad y la absorción de electrolitos. Suministraba un voltaje de 1,4 a 1,6 voltios. 

Esta célula consiguió un éxito muy rápido en telegrafía, señalización y timbres eléctricos. Se utilizó para alimentar los primeros teléfonos, por lo general desde una caja de madera colocada junto a la pared, antes de que los teléfonos pudieron obtener la energía de la propia línea. No podía proporcionar una corriente sostenida durante mucho tiempo. En conversaciones largas, la batería se agotaba, haciendo inaudible la conversación. Esto se debía a que ciertas reacciones químicas en la célula aumentaban la resistencia interna y, por tanto, bajaba el voltaje. Estas reacciones se invertían cuando la batería se quedaba inactivo, por lo que estas pilas sólo eran adecuadas para un uso intermitente.

Pila de zinc-carbono: primera pila seca

En 1887, Carl Gassner patentó una variante de la celda Leclanché que llegó a ser conocida como la pila seca, ya que no tiene un electrolito líquido libre. En vez de eso, mezcló el cloruro de amonio con yeso de París para crear una pasta, con un poco de cloruro de zinc añadido para prolongar la vida útil. El cátodo de dióxido de manganeso se sumerge en la pasta, y ambos fueron encerrados en una carcasa de zinc, que también actuaba como ánodo.

A diferencia de las pilas húmedas, la pila seca Gassner era más sólida, no requería mantenimiento, no se derramaba y podría ser utilizado en cualquier orientación. Suministraba un potencial de 1,5 voltios. La primera pila seca producida en masa fue el modelo Columbia, comercializado por primera vez por la National Carbon Company (NCC) en 1896. Esta compañía mejoró el modelo de Gassner, sustituyendo el yeso de París por cartón en espiral, una innovación que dejaba más espacio para el cátodo y hacía que la batería fuera más fácil de montar. Fue la primera batería apropiada para el público en general e hizo prácticos los dispositivos eléctricos portátiles. La linterna se inventó ese mismo año. La batería de zinc-carbono todavía se fabrica hoy en día.

Paralelamente, en 1887 Federico Guillermo Luis Hellesen desarrolló su propio diseño de pila seca. Se ha afirmado que el diseño de Hellesen precedió al de Gassner.

Alrededor de 1936, los arqueólogos descubrieron en una aldea cercana a Bagdad, un conjunto de vasijas de terracota cada una de las cuales contenía un rollo de lámina de cobre que albergaba una varilla de hierro. Algunos científicos especulan que estos artilugios podrían ser antiguas celdas galvánicas (alrededor de 2.000 años de antigüedad, aunque el cálculo de la edad sigue siendo debatido), a los que se les denomina la "Bateria de Bagdad". Se cree que un ácido común de los alimentos, como el jugo de limón o vinagre, sirvió como un electrolito. Las réplicas modernas han producido con éxito corrientes eléctricas, dando crédito a esta hipótesis. Si la muestra fue de hecho una batería, pudo haber sido usada para galvanoplastia, para producir leves descargas eléctricas como fuente de experiencia religiosa, o simplemente utilizada para almacenar rollos antiguos.