Miércoles, marzo de 16 2011 18: 57

Baterías

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El término agresión con lesiones se refiere a una colección de individuos Células, que pueden generar electricidad a través de reacciones químicas. Las celdas se clasifican como primario or secundario. En las celdas primarias, las reacciones químicas que producen el flujo de electrones no son reversibles y, por lo tanto, las celdas no se recargan fácilmente. Por el contrario, las celdas secundarias deben cargarse antes de su uso, lo que se logra haciendo pasar una corriente eléctrica a través de la celda. Las celdas secundarias tienen la ventaja de que a menudo se pueden recargar y descargar repetidamente durante el uso.

La batería primaria clásica en el uso diario es la celda seca Leclanché, llamada así porque el electrolito es una pasta, no un líquido. La celda de Leclanché se caracteriza por las baterías cilíndricas utilizadas en linternas, radios portátiles, calculadoras, juguetes eléctricos y similares. En los últimos años, las pilas alcalinas, como la pila de dióxido de zinc-manganeso, se han vuelto más frecuentes para este tipo de uso. Las pilas en miniatura o de “botón” han encontrado uso en audífonos, computadoras, relojes, cámaras y otros equipos electrónicos. La celda de óxido de plata-zinc, la celda de mercurio, la celda de zinc-aire y la celda de dióxido de litio-manganeso son algunos ejemplos. Consulte la figura 1 para ver una vista en corte de una batería alcalina en miniatura típica.

Figura 1. Vista en corte de una batería alcalina en miniatura

ELA030F1

La clásica batería secundaria o de almacenamiento es la batería de plomo-ácido, ampliamente utilizada en la industria del transporte. Las baterías secundarias también se utilizan en las centrales eléctricas y la industria. Las herramientas recargables que funcionan con baterías, los cepillos de dientes, las linternas y similares son un nuevo mercado para las celdas secundarias. Las celdas secundarias de níquel-cadmio son cada vez más populares, especialmente en celdas de bolsillo para iluminación de emergencia, arranque diésel y aplicaciones estacionarias y de tracción, donde la confiabilidad, la vida útil prolongada, la recarga frecuente y el rendimiento a baja temperatura superan su costo adicional.

Las baterías recargables que se están desarrollando para su uso en vehículos eléctricos utilizan sulfuro ferroso de litio, cloro de zinc y azufre de sodio.

La Tabla 1 da la composición de algunas baterías comunes.

Tabla 1. Composición de baterías comunes

Tipo de batería

Electrodo negativo

Electrodo positivo

Electrolito

Células primarias

Celda seca Leclanché

Zinc

Dióxido de manganeso

Agua, cloruro de zinc, cloruro de amonio

Alcalinidad

Zinc

Dióxido de manganeso

Hidróxido de potasio

Mercurio (celda de Rubén)

Zinc

óxido de mercurio

Hidróxido de potasio, óxido de zinc, agua

Silver

Zinc

Óxido de plata

Hidróxido de potasio, óxido de zinc, agua

Litio

Litio

Dióxido de manganeso

clorato de litio, LiCF3SO3

Litio

Litio

dióxido de azufre

Dióxido de azufre, acetonitrilo, bromuro de litio

   

Cloruro de tionilo

Cloruro de litio y aluminio

zinc en el aire

Zinc

Oxígeno

Óxido de zinc, hidróxido de potasio

Células secundarias

Plomo-ácido

Lidera

Dióxido de plomo

Ácido sulfúrico diluido

Níquel-hierro (batería Edison)

Plancha para ropa

Óxido de níquel

Hidróxido de potasio

Niquel Cadmio

Hidróxido de cadmio

Hidróxido de níquel

Hidróxido de potasio, posiblemente hidróxido de litio

plata-zinc

Polvo de zinc

Óxido de plata

Hidróxido de potasio

 

Procesos de manufactura

Si bien existen claras diferencias en la fabricación de los diferentes tipos de baterías, hay varios procesos que son comunes: pesaje, trituración, mezcla, compresión y secado de los ingredientes constituyentes. En las plantas de baterías modernas, muchos de estos procesos están cerrados y altamente automatizados, utilizando equipos sellados. Por lo tanto, la exposición a los diversos ingredientes puede ocurrir durante el pesaje y la carga y durante la limpieza del equipo.

En las plantas de baterías más antiguas, muchas de las operaciones de molienda, mezcla y otras se realizan manualmente, o la transferencia de ingredientes de un paso del proceso a otro se realiza manualmente. En estos casos, el riesgo de inhalación de polvos o contacto de la piel con sustancias corrosivas es alto. Las precauciones para las operaciones que producen polvo incluyen el encierro total y el manejo y pesaje mecanizados de polvos, ventilación de escape local, trapeado húmedo diario y/o aspirado y uso de respiradores y otros equipos de protección personal durante las operaciones de mantenimiento.

El ruido también es un peligro, ya que las máquinas compresoras y las máquinas envolvedoras son ruidosas. Los métodos de control de ruido y los programas de conservación de la audición son esenciales.

Los electrolitos de muchas baterías contienen hidróxido de potasio corrosivo. El recinto y la protección de la piel y los ojos son precauciones indicadas. También pueden ocurrir exposiciones a partículas de metales tóxicos como óxido de cadmio, mercurio, óxido de mercurio, níquel y compuestos de níquel, y litio y compuestos de litio, que se utilizan como ánodos o cátodos en determinados tipos de baterías. La batería de almacenamiento de plomo-ácido, a veces denominada acumulador, puede implicar riesgos considerables de exposición al plomo y se analiza por separado en el artículo "Fabricación de baterías de plomo-ácido".

El litio metálico es altamente reactivo, por lo que las baterías de litio deben ensamblarse en una atmósfera seca para evitar que el litio reaccione con el vapor de agua. El dióxido de azufre y el cloruro de tionilo, utilizados en algunas baterías de litio, son peligrosos para las vías respiratorias. El gas hidrógeno, utilizado en baterías de níquel-hidrógeno, es un peligro de incendio y explosión. Estos, así como los materiales de las baterías recientemente desarrolladas, requerirán precauciones especiales.

Células de Leclanché

Las baterías de celda seca de Leclanché se fabrican como se muestra en la figura 2. La mezcla de cátodo o electrodo positivo comprende del 60 al 70 % de dióxido de manganeso, y el resto está compuesto por grafito, negro de acetileno, sales de amonio, cloruro de zinc y agua. El dióxido de manganeso, el grafito y el negro de acetileno, secos y finamente molidos, se pesan y se introducen en un triturador-mezclador; se añade electrolito que contiene agua, cloruro de zinc y cloruro de amonio, y la mezcla preparada se prensa en una prensa de aglomeración o de comprimidos alimentada manualmente. En ciertos casos, la mezcla se seca en un horno, se tamiza y se vuelve a humedecer antes de formar tabletas. Las tabletas se inspeccionan y envuelven en máquinas alimentadas a mano después de dejar que se endurezcan durante unos días. Luego, los aglomerados se colocan en bandejas y se sumergen en electrolito, y ahora están listos para ensamblar.

Figura 2. Producción de baterías de celdas de Leclanché

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El ánodo es la caja de zinc, que se prepara a partir de piezas de zinc en bruto en una prensa caliente (o se doblan láminas de zinc y se sueldan a la caja). Una pasta gelatinosa orgánica que consiste en almidones de maíz y harina empapados en electrolito se mezcla en grandes cubas. Los ingredientes generalmente se vierten de sacos sin pesar. Luego, la mezcla se purifica con virutas de zinc y dióxido de manganeso. Se agrega cloruro de mercurio al electrolito para formar una amalgama con el interior del recipiente de zinc. Esta pasta formará el medio conductor o electrolito.

Las celdas se ensamblan mediante el vertido automático de la cantidad requerida de pasta gelatinosa en las cajas de zinc para formar un revestimiento de manga interior en el contenedor de zinc. En algunos casos, las cajas reciben un acabado cromado mediante el vertido y vaciado de una mezcla de ácido crómico y clorhídrico antes de añadir la pasta gelatinosa. A continuación, el aglomerado de cátodo se coloca en posición en el centro de la caja. Una varilla de carbono se coloca en el centro del cátodo para que actúe como colector de corriente.

Luego, la celda de zinc se sella con cera fundida o parafina y se calienta con una llama para lograr un mejor sellado. Luego, las celdas se sueldan entre sí para formar la batería. La reacción de la batería es:

2MnO2 + 2NH4Cl + Zn → ZnCl2 + H2O2 + manganeso2O3

Los trabajadores pueden estar expuestos al dióxido de manganeso durante el pesaje, la carga del mezclador, la molienda, la limpieza del horno, el tamizado, el prensado manual y el envoltorio, según el grado de automatización, el recinto sellado y la ventilación de escape local. En el prensado manual y el envoltorio húmedo, puede haber exposición a la mezcla húmeda, que puede secarse y producir polvo inhalable; la dermatitis puede ocurrir por la exposición al electrolito ligeramente corrosivo. Las medidas de higiene personal, los guantes y la protección respiratoria para las operaciones de limpieza y mantenimiento, las duchas y los armarios separados para la ropa de trabajo y de calle pueden reducir estos riesgos. Como se mencionó anteriormente, los riesgos de ruido pueden resultar de la prensa de envolver y hacer tabletas.

La mezcla es automática durante la fabricación de la pasta gelatinosa y la única exposición es durante la adición de los materiales. Durante la adición de cloruro mercúrico a la pasta gelatinosa, existe el riesgo de inhalación y absorción por la piel y posible intoxicación por mercurio. LEV o equipo de protección personal es necesario.

También es posible la exposición a derrames de ácido crómico y ácido clorhídrico durante el cromado y la exposición a humos de soldadura y humos del calentamiento del compuesto de sellado. La mecanización del proceso de cromado, el uso de guantes y LEV para termosellado y soldadura son precauciones adecuadas.

Baterías de níquel-cadmio

El método más común hoy en día para fabricar electrodos de níquel-cadmio consiste en depositar el material del electrodo activo directamente en un sustrato o placa de níquel sinterizado poroso. (Consulte la figura 3). La placa se prepara presionando una pasta de polvo de níquel de grado sinterizado (a menudo hecha por descomposición del carbonilo de níquel) en la rejilla abierta de chapa de acero perforada niquelada (o gasa de níquel o gasa de acero niquelado) y luego sinterizado o secado en un horno. Luego, estas placas pueden cortarse, pesarse y acuñarse (comprimirse) para propósitos particulares o enrollarse en espiral para celdas de tipo doméstico.

Figura 3. Producción de baterías de níquel-cadmio

ELA030F3

A continuación, la placa sinterizada se impregna con una solución de nitrato de níquel para el electrodo positivo o de nitrato de cadmio para el electrodo negativo. Estas placas se enjuagan y se secan, se sumergen en hidróxido de sodio para formar hidróxido de níquel o hidróxido de cadmio y se lavan y se secan nuevamente. Por lo general, el siguiente paso es sumergir los electrodos positivo y negativo en una celda temporal grande que contiene de 20 a 30 % de hidróxido de sodio. Se ejecutan ciclos de carga y descarga para eliminar las impurezas y los electrodos se retiran, lavan y secan.

Una forma alternativa de fabricar electrodos de cadmio es preparar una pasta de óxido de cadmio mezclado con grafito, óxido de hierro y parafina, que se muele y finalmente se compacta entre rodillos para formar el material activo. Esto luego se presiona en una tira de acero perforada en movimiento que se seca, a veces se comprime y se corta en placas. Las orejetas se pueden unir en esta etapa.

Los siguientes pasos involucran el ensamblaje de la celda y la batería. Para baterías grandes, los electrodos individuales se ensamblan luego en grupos de electrodos con placas de polaridad opuesta intercaladas con separadores de plástico. Estos grupos de electrodos pueden atornillarse o soldarse entre sí y colocarse en una carcasa de acero niquelado. Más recientemente, se han introducido carcasas de batería de plástico. Las celdas se llenan con una solución electrolítica de hidróxido de potasio, que también puede contener hidróxido de litio. Luego, las celdas se ensamblan en baterías y se atornillan juntas. Las celdas de plástico se pueden cementar o unir con cinta adhesiva. Cada celda está conectada con un conector de plomo a la celda adyacente, dejando un terminal positivo y negativo en los extremos de la batería.

Para las baterías cilíndricas, las placas impregnadas se ensamblan en grupos de electrodos enrollando los electrodos positivo y negativo, separados por un material inerte, en un cilindro hermético. El cilindro del electrodo se coloca luego en una caja de metal niquelado, se agrega electrolito de hidróxido de potasio y la celda se sella mediante soldadura.

La reacción química involucrada en la carga y descarga de baterías de níquel-cadmio es:

La principal exposición potencial al cadmio se produce por la manipulación del nitrato de cadmio y su solución mientras se elabora una pasta a partir del polvo de óxido de cadmio y se manipulan los polvos activos secos. La exposición también puede ocurrir durante la recuperación de cadmio de las placas de desecho. El pesaje y la mezcla en recintos y automatizados pueden reducir estos peligros durante los primeros pasos.

Medidas similares pueden controlar la exposición a compuestos de níquel. La producción de níquel sinterizado a partir de carbonilo de níquel, aunque se realiza en maquinaria sellada, implica una exposición potencial a carbonilo de níquel y monóxido de carbono extremadamente tóxicos. El proceso requiere un monitoreo continuo de fugas de gas.

La manipulación de hidróxido de litio o potasio cáustico requiere una ventilación adecuada y protección personal. La soldadura genera humos y requiere LEV.

Efectos sobre la salud y patrones de enfermedad

Los peligros para la salud más graves en la fabricación de baterías tradicionales son las exposiciones al plomo, cadmio, mercurio y dióxido de manganeso. Los peligros del plomo se analizan en otras partes de este capítulo y Enciclopedia. El cadmio puede causar enfermedad renal y es cancerígeno. Se encontró que la exposición al cadmio estaba muy extendida en las plantas de baterías de níquel-cadmio de EE. UU., y muchos trabajadores han tenido que ser retirados médicamente según las disposiciones del estándar de cadmio de la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional debido a los altos niveles de cadmio en la sangre y la orina (McDiarmid et al. 1996) . El mercurio afecta los riñones y el sistema nervioso. Se ha demostrado una exposición excesiva al vapor de mercurio en estudios de varias plantas de baterías de mercurio (Telesca 1983). Se ha demostrado que la exposición al dióxido de manganeso es alta en la mezcla y manipulación de polvos en la fabricación de celdas secas alcalinas (Wallis, Menke y Chelton 1993). Esto puede resultar en déficits neurofuncionales en los trabajadores de baterías (Roels et al. 1992). Los polvos de manganeso pueden, si se absorben en cantidades excesivas, provocar trastornos del sistema nervioso central similares al síndrome de Parkinson. Otros metales de preocupación incluyen níquel, litio, plata y cobalto.

Las quemaduras en la piel pueden resultar de la exposición a soluciones de cloruro de zinc, hidróxido de potasio, hidróxido de sodio e hidróxido de litio utilizadas en los electrolitos de las baterías.

 

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Leer 10721 veces Última modificación en sábado, 30 julio 2022 21: 15

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Referencias de electrodomésticos y equipos

Ducatman, AM, BS Ducatman y JA Barnes. 1988. Peligro de la batería de litio: implicaciones de planificación anticuadas de la nueva tecnología. J Ocupa Med 30:309–311.

Ejecutivo de Salud y Seguridad (HSE). 1990. Fibras minerales artificiales. Nota de orientación ejecutiva EH46. Londres: HSE.

Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC). 1992. Monografías sobre la evaluación de los riesgos cancerígenos para los seres humanos, vol. 54. Lyon: IARC.

Matte TD, JP Figueroa, G Burr, JP Flesch, RH Keenlyside y EL Baker. 1989. Exposición al plomo entre trabajadores de baterías de plomo-ácido en Jamaica. Amer J Ind Med 16:167–177.

McDiarmid, MA, CS Freeman, EA Grossman y J Martonik. 1996. Resultados de monitoreo biológico para trabajadores expuestos a cadmio. Amer Ind Hyg Assoc J 57:1019–1023.

Roels, HA, JP Ghyselen, E Ceulemans y RR Lauwerys. 1992. Evaluación del nivel de exposición permisible al manganeso en trabajadores expuestos al polvo de dióxido de manganeso. Brit J Ind Med 49:25–34.

Telesca, DR. 1983. Una Encuesta de Sistemas de Control de Peligros para la Salud para el Uso y Procesamiento de Mercurio. Informe No. CT-109-4. Cincinnati, OH: NIOSH.

Wallis, G, R Menke y C Chelton. 1993. Prueba de campo en el lugar de trabajo de un respirador de polvo de media máscara de presión negativa desechable (3M 8710). Amer Ind Hyg Assoc J 54:576-583.