por José Alarco Y Pedro Talbot , La Conversación
Las baterías son tan omnipresentes hoy en día que son casi invisibles para nosotros. Sin embargo, son un invento notable con una larga e histórica historia, y un futuro igualmente emocionante.,
la batería es esencialmente un dispositivo que almacena energía química que se convierte en electricidad. Básicamente, las baterías son pequeños reactores químicos, con la reacción produciendo electrones energéticos, listos para fluir a través del dispositivo externo.
las Baterías han estado con nosotros durante mucho tiempo. En 1938 el Director del Museo de Bagdad encontró lo que ahora se conoce como la «batería de Bagdad» en el sótano del Museo. El análisis lo fechó alrededor de 250 AC y de origen mesopotámico.,
La controversia rodea este primer ejemplo de una batería, pero los usos sugeridos incluyen galvanoplastia, alivio del dolor o un hormigueo religioso.
El científico e inventor estadounidense Benjamin Franklin usó por primera vez el término «batería» en 1749 cuando estaba haciendo experimentos con electricidad utilizando un conjunto de condensadores conectados.
la primera batería verdadera fue inventada por el físico italiano Alessandro Volta en 1800. Volta discos apilados de cobre (Cu) y zinc (Zn) separados por un paño empapado en agua salada.
Los cables conectados a cualquiera de los extremos de la pila producían una corriente continua estable., Cada celda (un conjunto de un disco Cu y un disco Zn y la salmuera) produce 0,76 voltios (V). Un múltiplo de este valor se obtiene dado por el número de celdas que se apilan juntas.
una de las baterías más duraderas, la batería de plomo-ácido, se inventó en 1859 y sigue siendo la tecnología utilizada para arrancar la mayoría de los automóviles con motor de combustión interna en la actualidad. Es el ejemplo más antiguo de batería recargable.,
hoy en día, las baterías vienen en una gama de tamaños, desde tamaños de megavatios grandes, que almacenan la energía de las granjas solares o subestaciones para garantizar un suministro estable en pueblos o islas enteras, hasta baterías pequeñas como las que se utilizan en los relojes electrónicos.
Las baterías se basan en diferentes químicos, que generan voltajes de celda básicos típicamente en el rango de 1.0 a 3.6 V. El apilamiento de las celdas en serie aumenta la tensión, mientras que su conexión en paralelo mejora el suministro de corriente., Este principio se utiliza para sumar los voltajes y corrientes requeridos, hasta los tamaños de megavatios.
ahora hay mucha anticipación de que la tecnología de baterías está a punto de dar otro salto con nuevos modelos que se están desarrollando con suficiente capacidad para almacenar la energía generada con sistemas solares o eólicos domésticos y luego alimentar un hogar a una hora más conveniente (generalmente nocturna) durante unos días
¿Cómo funcionan las baterías?
cuando se descarga una batería, la reacción química produce algunos electrones adicionales a medida que se produce la reacción., Un ejemplo de una reacción que produce electrones es la oxidación del hierro para producir óxido. El hierro reacciona con el oxígeno y cede electrones al oxígeno para producir óxido de hierro.
la construcción estándar de una batería es utilizar dos metales o compuestos con diferentes potenciales químicos y separarlos con un aislante poroso. El potencial químico es la energía almacenada en los átomos y enlaces de los compuestos, que luego se imparte a los electrones en movimiento, cuando se les permite moverse a través del dispositivo externo conectado.,
un fluido conductor como la sal y el agua se utiliza para transferir iones solubles de un metal a otro durante la reacción y se llama electrolito.
el metal o compuesto que pierde los electrones durante la descarga se llama ánodo y el metal o compuesto que acepta los electrones se llama cátodo. Este flujo de electrones del ánodo al cátodo a través de la conexión externa es lo que usamos para hacer funcionar nuestros dispositivos electrónicos.,
baterías primarias vs recargables
Cuando la reacción que produce el flujo de electrones no se puede invertir, la batería se denomina batería primaria. Cuando se consume uno de los reactivos, la batería se agota.
La Batería primaria más común es la batería de zinc-carbono. Se descubrió que cuando el electrolito es un álcali, las baterías duraban mucho más tiempo. Estas son las baterías alcalinas que compramos en el Supermercado.
el reto de deshacerse de estas baterías primarias era encontrar una manera de reutilizarlas, recargando las baterías., Esto se vuelve más esencial a medida que las baterías se hacen más grandes, y con frecuencia reemplazarlas no es comercialmente viable.
una de las primeras baterías recargables, la batería de níquel-cadmio (NiCd), también utiliza un álcali como electrolito. En 1989 se desarrollaron baterías de níquel-metal de hidrógeno (NiMH), y tenían una vida útil más larga que las baterías NiCd.
estos tipos de baterías son muy sensibles a la sobrecarga y el sobrecalentamiento durante la carga, por lo tanto, la tasa de carga se controla por debajo de una tasa máxima. Los controladores sofisticados pueden acelerar la carga, sin tomar menos de unas pocas horas.,
en la mayoría de los otros cargadores más simples, el proceso suele durar toda la noche.
Las aplicaciones portátiles, como los teléfonos móviles y las computadoras portátiles, buscan constantemente la energía almacenada máxima y más compacta. Si bien esto aumenta el riesgo de una descarga violenta, es manejable utilizando limitadores de velocidad actuales en las baterías de los teléfonos móviles debido al formato pequeño general.
pero a medida que se contemplan aplicaciones más grandes de baterías, la seguridad en gran formato y gran cantidad de celdas se ha convertido en una consideración más significativa.,
primer gran salto adelante: baterías de iones de litio
las nuevas tecnologías a menudo exigen baterías más compactas, de mayor capacidad, seguras y recargables.
en 1980, el físico estadounidense profesor John Goodenough inventó un nuevo tipo de batería de litio en la que el litio (Li) podría migrar a través de la batería de un electrodo a otro como un Li+ ion.,
El litio es uno de los elementos más ligeros de la Tabla periódica y tiene uno de los mayores potenciales electroquímicos, por lo que esta combinación produce algunos de los mayores voltajes posibles en los volúmenes más compactos y ligeros.
Esta es la base para la batería de iones de litio. En esta nueva batería, el litio se combina con un metal de transición, como cobalto, níquel, manganeso o hierro, y oxígeno para formar el cátodo. Durante la recarga cuando se aplica un voltaje, el ion de litio cargado positivamente del cátodo migra al ánodo de grafito y se convierte en metal de litio.,
debido a que el litio tiene una fuerza impulsora electroquímica fuerte que se oxida si se permite, migra de nuevo al cátodo para convertirse en un ion Li+ nuevamente y devuelve su electrón al ion cobalto. El movimiento de electrones en el circuito nos da una corriente que podemos usar.
el segundo gran salto adelante: nano tecnología
dependiendo del metal de Transición utilizado en la batería de iones de litio, la célula puede tener una mayor capacidad pero puede ser más reactiva y susceptible a un fenómeno conocido como fuga térmica.,
en el caso de las baterías de óxido de cobalto de litio (LiCoO2) fabricadas por Sony en la década de 1990, esto llevó a que muchas de estas baterías se incendiaran. La posibilidad de hacer cátodos de batería a partir de material de nano-escala y, por lo tanto, más reactivos estaba fuera de la cuestión.
pero en la década de 1990 Goodenough volvió a dar un gran salto en la tecnología de baterías al introducir un cátodo estable de iones de litio basado en hierro y fosfato de litio.
Este cátodo es térmicamente estable., También significa que los materiales de fosfato de hierro de litio a nano escala (LiFePO4) o ferrofosfato de litio (LFP) ahora se pueden fabricar de forma segura en celdas de gran formato que se pueden cargar y descargar rápidamente.
Existen muchas aplicaciones nuevas para estas nuevas células, desde herramientas eléctricas hasta vehículos híbridos y eléctricos. Tal vez la aplicación más importante será el almacenamiento de energía eléctrica doméstica para los hogares.,
Electric cars
el líder en la fabricación de este nuevo formato de baterías para vehículos es Tesla electric vehicle company, que tiene planes para construir «GIGA-plants» para la producción de estas baterías.
el tamaño de la batería de litio para el Tesla Model S es un impresionante 85kWh.,
esto también es más que suficiente para las necesidades domésticas, por lo que ha habido tanta especulación en cuanto a lo que el fundador de Tesla, Elon Musk, se está preparando para revelar esta semana.
un diseño de batería modular puede crear formatos de batería que son algo intercambiables y adecuados tanto para vehículos como para aplicaciones domésticas sin necesidad de rediseño o reconstrucción.
quizás estamos a punto de presenciar el próximo cambio generacional en la generación y almacenamiento de energía impulsado por las capacidades cada vez mejores de la humilde batería.,