Electrochemical cell

A galvanic cell (voltaic cell), named after Luigi Galvani (Alessandro Volta), is an electrochemical cell that generates electrical energy from spontaneous redox reactions.^[3]

A wire connects two different metals (e.g. zinc and copper). Each metal is in a separate solution; often the aqueoussulphate or nitrate forms of the metal, however more generally metal salts and water which conduct current.^[4] A salt bridge or porous membrane connects the two solutions, keeping electric neutrality and the avoidance of charge accumulation. The metal's differences in oxidation/reduction potential drive the reaction until equilibrium.^[1]

Key features:

• spontaneous reaction
• generates electric current
• current flows through a wire, and ions flow through a salt bridge
• anode (negative), cathode (positive)

Una celda electrolítica es una celda electroquímica en la que la energía eléctrica aplicada impulsa una reacción redox no espontánea . ^{[ 11 ]}

Se utilizan a menudo para descomponer compuestos químicos, en un proceso llamado electrólisis . (La palabra griega " lisis " (λύσις) significa "liberar" o "liberar"). ^{[ 12 ]}

Ejemplos importantes de electrólisis son la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno , y de la bauxita en aluminio y otros productos químicos. El recubrimiento electrolítico (por ejemplo, de cobre, plata , níquel o cromo ) se realiza mediante una celda electrolítica. La electrólisis es una técnica que utiliza corriente eléctrica continua (CC).

Los componentes de una celda electrolítica son:

• Un electrolito: generalmente una solución de agua u otros disolventes en la que se disuelven iones. Las sales fundidas, como el cloruro de sodio, también son electrolitos.
• dos electrodos (un cátodo y un ánodo) que son terminales eléctricos compuestos de una sustancia adecuada en la que puede tener lugar la oxidación o la reducción, y que se mantienen a dos potenciales eléctricos diferentes .

Cuando se aplica un voltaje externo (diferencia de potencial) a los electrodos, los iones del electrolito son atraídos hacia el electrodo con el potencial opuesto, donde pueden tener lugar reacciones de transferencia de carga (también llamadas faradaicas o redox). Solo con un voltaje externo suficiente una celda electrolítica puede descomponer un compuesto químico normalmente estable o inerte en la solución. Por lo tanto, la energía eléctrica suministrada produce una reacción química que no ocurriría espontáneamente de otro modo. ^{[ 13 ]} Características clave:

• reacción no espontánea
• genera corriente
• La corriente fluye a través de un cable y los iones fluyen a través de un puente salino.
• ánodo (positivo), cátodo (negativo)

Una pila primaria produce corriente mediante reacciones químicas irreversibles (por ejemplo, las pilas pequeñas desechables) y no es recargable.

Se utilizan por su portabilidad, bajo coste y corta vida útil.

Las pilas primarias se fabrican en una gama de tamaños estándar para alimentar pequeños electrodomésticos como linternas y radios portátiles.

A medida que se producen reacciones químicas en una pila primaria, la batería consume los productos químicos que generan la energía; cuando estos se agotan, la batería deja de producir electricidad. ^{[ 14 ]}

Las baterías primarias representan aproximadamente el 90% del mercado de baterías de 50 mil millones de dólares, pero las baterías secundarias han estado ganando cuota de mercado. Alrededor de 15 mil millones de baterías primarias se desechan en todo el mundo cada año, ^{[ 15 ]} prácticamente todas terminan en vertederos. Debido a los metales pesados ​​tóxicos y los ácidos o álcalis fuertes que contienen, las baterías son residuos peligrosos . La mayoría de los municipios las clasifican como tales y requieren una eliminación separada. La energía necesaria para fabricar una batería es aproximadamente 50 veces mayor que la energía que contiene. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} Debido a su alto contenido de contaminantes en comparación con su pequeño contenido de energía, la batería primaria se considera una tecnología derrochadora y perjudicial para el medio ambiente. Principalmente debido al aumento de las ventas de dispositivos inalámbricos y herramientas inalámbricas , que no pueden ser alimentados económicamente por baterías primarias y vienen con baterías recargables integradas, la industria de baterías secundarias tiene un alto crecimiento y ha estado reemplazando lentamente a la batería primaria en productos de alta gama.

Una pila secundaria produce corriente mediante reacciones químicas reversibles (por ejemplo, la batería de plomo-ácido de un coche) y es recargable .

Las baterías de plomo-ácido se utilizan en un automóvil para arrancar el motor y para alimentar los accesorios eléctricos del vehículo cuando el motor está apagado. Una vez que el automóvil está en marcha, el alternador recarga la batería. ^{[ 20 ]}

Puede funcionar como una pila galvánica y una pila electrolítica. Es una forma práctica de almacenar electricidad: cuando la corriente fluye en una dirección, los niveles de uno o más compuestos químicos aumentan (carga); mientras se descarga, disminuyen y la fuerza electromotriz resultante puede realizar trabajo.

Se utilizan por su alto voltaje, bajo costo, confiabilidad y larga vida útil.

Una pila de combustible es una celda electroquímica que hace reaccionar hidrógeno como combustible con oxígeno u otro agente oxidante para convertir energía química en electricidad . ^{[ 21 ]}

Las pilas de combustible se diferencian de las baterías en que requieren una fuente continua de combustible y oxígeno (generalmente del aire) para mantener la reacción química, mientras que en una batería la energía química proviene de sustancias químicas ya presentes en la batería. ^{[ 21 ]}

Las pilas de combustible pueden producir electricidad de forma continua mientras se les suministre combustible y oxígeno . ^{[ 21 ]}

Se utilizan como fuente de alimentación principal y de respaldo para edificios comerciales, industriales y residenciales, así como en zonas remotas o inaccesibles. También se emplean para alimentar vehículos con pila de combustible , como carretillas elevadoras , automóviles, autobuses, barcos, motocicletas y submarinos.

Las pilas de combustible se clasifican según el tipo de electrolito que utilizan y por la diferencia en el tiempo de arranque, que varía desde 1 segundo para las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (pilas de combustible PEM o PEMFC) hasta 10 minutos para las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Existen muchos tipos de pilas de combustible, pero todas constan de:

ánodo

En el ánodo, un catalizador provoca reacciones de oxidación en el combustible que generan protones (iones de hidrógeno con carga positiva) y electrones. Tras la reacción, los protones fluyen del ánodo al cátodo a través del electrolito. Simultáneamente, los electrones son atraídos del ánodo al cátodo mediante un circuito externo, produciendo electricidad de corriente continua .

cátodo

En el cátodo, otro catalizador provoca la reacción de iones de hidrógeno, electrones y oxígeno, formando agua.

electrólito

Permite que los iones de hidrógeno con carga positiva (protones) se muevan entre los dos lados de la pila de combustible.

Una tecnología relacionada son las baterías de flujo , en las que el combustible se puede regenerar mediante recarga. Las celdas de combustible individuales producen potenciales eléctricos relativamente pequeños, alrededor de 0,7 voltios, por lo que se "apilan" o se colocan en serie para crear el voltaje suficiente para satisfacer los requisitos de una aplicación. ^{[ 24 ]} Además de electricidad, las celdas de combustible producen agua, calor y, dependiendo de la fuente de combustible, cantidades muy pequeñas de dióxido de nitrógeno y otras emisiones. La eficiencia energética de una celda de combustible generalmente está entre el 40 y el 60%; sin embargo, si se captura el calor residual en un esquema de cogeneración , se pueden obtener eficiencias de hasta el 85%.

En 2022, el mercado mundial de pilas de combustible se estimó en 6300 millones de dólares y se espera que aumente un 19,9 % para 2030. ^{[ 25 ]} Muchos países están intentando entrar en el mercado estableciendo objetivos de GW de energía renovable . ^{[ 26 ]}