Las baterías Esencialmente, una batería es un recipiente de químicos que transmite electrones. Es una maquina electro-química, o sea, una maquina que crea electricidad a través de reacciones químicas. Las baterías tienen dos polos, uno positivo (+) y otro negativo (-). Los electrones (de carga negativa) van del polo negativo hacia el polo positivo, o sea, son recogidos por el polo positivo. A no ser que los electrones corran del polo negativo hacia el polo positivo, la reacción química no ocurre. Esto significa que la electricidad solo es generada cuando se le enchufa una carga, como un teléfono móvil, y que la batería casi no se gasta si guardada en un cajón. Las pilas modernas son generalmente pilas secas (usan sólidos como electrólitos) y pueden basarse en una gama muy variada de químicos. Para los teléfonos móviles, existen tres tipos comunes de baterías: las NiCd, las NiMH y las de Lítio.
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NiCdLas baterías de Níquel y Cadmio (NiCd) son unas de las
baterías para teléfonos móviles más comunes en el mercado. En estas baterías,
el polo positivo y el polo negativo se encuentran en el mismo recipiente, el
polo positivo es cubierto con hidróxido de Níquel y el polo negativo es
cubierto de material sensible al Cadmio. Son ambos aislados por un separador.
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Litio
Las baterías basándose en iones de Litio son las baterías más recientes en el mercado de los teléfonos móviles. Consiguen un almacenamiento muy superior de energía, aumentando considerablemente el tiempo de acción del teléfono móvil. Son también muy ligeras, pesando cerca de la mitad de una NiCd equivalente.
A pesar del precio elevado las ventajas de las baterías de Litio las han popularizado y han hecho que se tornen equipos de serie para muchos modelos de teléfonos móviles. |
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NiMHLas baterías de Níquel metal híbrido (NiMH), que usan Hidrógeno en su proceso de producción de energía, han nacido en los años 70 de las manos del químico Standford Ovshinsky, pero solo recientemente fueron redescubiertas para los teléfonos móviles. La inusual tecnología de las NiMH permite el almacenamiento de mucho más energía. Típicamente, consigue almacenar alrededor de 30% más energía que una NiCd de idéntico tamaño, aunque algunos digan que este número está subestimado. Estas baterías tampoco usan metales tóxicos, por lo que se consideran amigas del ambiente.
Este detalle torna las baterías NiMH mucho más caras que las NiCd. |
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La medida estándar para la capacidad de una batería (mAh)
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Pilas recargables de Ión Litio
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Pilas para equipos militares
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Pilas recargables de Polímero
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Pilas cilíndricas Hi-Rate
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Pilas de 9 voltios
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Pilas Thin Cell
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Pilas personalizadas
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A este enorme mercado mundial habría que añadir a más largo plazo el no menos importante mercado de baterías recargables para tracción de automóviles eléctricos. En este campo la necesidad de mejora es igualmente patente. De hecho las baterías son el punto débil de los prototipos eléctricos que están empezando a salir ya al mercado del automóvil. Sus prestaciones limitadas y alto precio relativo hacen dura la competencia con vehículos convencionales de combustión. Sin embargo, existe una creciente demanda social de tecnologías limpias, más respetuosas con el medio ambiente que hacen especialmente deseable el desarrollo de vehículos eléctricos al menos para uso en entornos urbanos. ¿Que tecnología es la ideal para el desarrollo de nuevas baterías recargables? En general, cada tecnología tiene características que se ajustan mejor a ciertas aplicaciones, y existen asimismo numerosos y variados tipos de baterías que se pueden considerar hoy en día en estado de desarrollo. Una breve lista podría incluir baterías Sodio/azufre, zinc/aire, hidruro metálico/óxido de níquel y baterías de litio. Todas tienen ventajas e inconvenientes que se intentan evitar con diseños adecuados pero las baterías de litio, junto quizá a las de hidruro metálico son las que van encontrando un mayor consenso en cuanto a su potencial y un mayor esfuerzo en su investigación y desarrollo a nivel mundial. Son muchas las razones que han originado este consenso. En primer lugar el litio es el metal más ligero y esto da lugar a una alta capacidad específica (Figura 1), lo que permite obtener la misma energía con un peso muy inferior (Figura 2).
Por otro lado, cuando un ánodo de litio metálico se combina con cátodos de ciertos óxidos de metales de transición las celdas electroquímicas reversibles que resultan presentan valores de voltaje superiores al de otros sistemas; ello contribuye a una alta densidad de energía. Además de sus características técnicas, la tecnología de litio es de las más versátiles y puede llegar a encontrar aplicaciones comerciales en muy distintos ámbitos, desde los que requieren pequeñas y delgadas micro baterías hasta baterías de alta capacidad y reducido peso para automóviles. Finalmente, y a diferencia del plomo o cadmio, los materiales que componen las baterías de litio más prometedoras no representan un problema de posible contaminación ambiental. En los primeros prototipos de baterías de litio, el electrodo positivo (cátodo) era normalmente un óxido o sulfuro metálico con la capacidad de intercalar y desintercalar iones litio en los procesos de descarga y carga de la batería de un modo reversible; el electrodo negativo (ánodo) en estos primeros sistemas estaba constituido por litio metálico que debía sufrir procesos igualmente reversibles de disolución durante la descarga y deposición durante la recarga. Para llegar a ser realmente aplicables las baterías de litio han tenido que superar inconvenientes, algunos de ellos graves. El más serio obstáculo para la comercialización de baterías de litio recargables se derivó precisamente de la gran reactividad del litio metálico que podría representar problemas de seguridad; el uso del metal como ánodo se vio asociado a problemas de crecimiento dendrítico del litio durante los procesos de recarga continuados. Este comportamiento llegó a ser causa de problemas de funcionamiento y seguridad. Afortunadamente estos problemas se resolvieron de forma totalmente satisfactoria con la introducción de dos variantes dentro de esta tecnología: las baterías de "ion-litio", y el desarrollo de electrolitos polimétricos plásticos menos reactivos que sus análogos líquidos. En las baterías de ion-litio el ánodo no está formado por litio metálico sino por otro material mucho más seguro, como por ejemplo el grafito, capaz de intercalar (o almacenar) iones de litio en una forma menos reactiva que la del litio metálico, sin un notable detrimento de su densidad energética. La siguiente figura animada indica esquemáticamente el funcionamiento a nivel atómico de este tipo de baterías. DURANTE LA DESCARGA: Los iones litio (amarillos) cambian espontáneamente del electrodo negativo (negro) al electrolito (azul) y de éste al electrodo positivo (rojo). El electrolito permite el paso de iones pero no de electrones. Al mismo tiempo, los electrones fluyen espontáneamente del electrodo negativo al positivo a través del único camino que les dejamos libre: a través de nuestro circuito eléctrico. A medida que avanza la descarga, el potencial (E) de cada electrodo cambia de forma que su diferencia disminuye y cae por tanto el voltaje de la celda (DeltaE) a medida que sacamos carga eléctrica (Q) de la batería. DURANTE LA CARGA: Bombeamos electrones en el electrodo negativo y los extraemos del positivo. Hacemos por tanto el electrodo negativo más negativo y el positivo más positivo y aumentamos así la diferencia de potencial entre ellos, o, lo que es lo mismo, el voltaje de la celda. Este proceso fuerza también a los iones litio a salir del electrodo positivo y a intercalarse en el negativo. NOTA: Siempre empleamos más energía en cargar la batería de la
que ésta nos da durante la descarga. La Naturaleza es así, pero uno de
nuestros objetivos es minimizar esta diferencia. Las baterías recargables de ión-litio que empiezan ya a aparecer en el mercado están compuestas de cátodos de LiCoO2, electrolitos poliméricos y ánodos de grafito altamente densificados y con poca superficie para minimizar los fenómenos de pasivación que también les afectan. Se pueden recargar hasta 2500 veces y gracias a su bajo precio constituyen la mejor alternativa en el mercado de la electrónica de consumo. La asignatura pendiente continúa siendo la obtención de sistemas de alta potencia como los necesarios para automóviles eléctricos. Hoy en día, tanto en nuestro país como a nivel mundial, continúa la investigación y el desarrollo de la tecnología de baterías recargables de litio con objeto de mejorar aspectos específicos de sus características técnicas. Así por ejemplo podemos mencionar los esfuerzos para desarrollar electrodos en forma de capa delgada que permitan el montaje de sistemas de mayor potencia, la búsqueda de nuevos materiales que mejoren aún más la capacidad y energía específicas de las celdas o la fabricación de baterías "plásticas" delgadas y flexibles aptas para su uso en aplicaciones microelectrónicas, así como el diseño de baterías de litio totalmente sólidas. ¿Las baterías Litio-Ion energizarán el nuevo milenio? Por muchos años, la batería de Níquel Cadmio (NiCd) fue la única que se adecuaba a dispositivos portátiles, tales como los de comunicaciones inalámbricas. En 1990, surgieron las baterías de Níquel Metal Hidruro (NiMH) y de Ion de litio (Li-Ion), ofreciendo mayores capacidades. Los dos sistemas pelearon estrechamente, cada una adjudicándose mejor rendimiento y menor tamaño. ¿Cuál será el sistema verdaderamente ganador y cuál será el que allane el camino en el nuevo milenio? La favorita parece ser la de la familia Li-Ion, especialmente para portátiles con un factor de forma pequeño. Las baterías de Li-Ion son de bajo mantenimiento, ventaja que ningún otro proceso químico puede reclamar. No hay memoria y no se requieren ciclos para prolongar la vida de la batería. Además de una elevada densidad de energía y escaso peso, su auto descarga es menos de la mitad si se le compara con las de NiCd y NiMH. Podríamos decir que la batería de Li-Ion queda ubicada para aplicaciones de indicadores de combustible modernos. En cuanto a lo negativo, la batería de Li-Ion es frágil y requiere un circuito de protección para mantener una operación segura. La corriente de carga es moderada y la carga se debe hacer conforme a normas estrictas. Además, la batería de Li-Ion envejece, ya sea que se use o no. Historia El trabajo pionero de la batería de litio lo empezó G. N. Lewis en 1912, pero a principios de 1970 aparecieron las primeras baterías no recargables de litio y se pudieron adquirir comercialmente. Los esfuerzos por desarrollar baterías recargables de litio siguieron en la década de los ochentas, pero fallaron debido a problemas de seguridad. El litio es el metal más liviano, tiene el mayor potencial electroquímico y proporciona el mayor volumen de energía. Las baterías recargables que usan el metal de litio como electrodos negativos (ánodo), son capaces de proporcionar tanto una elevada tensión como una excelente capacidad, produciendo una densidad de energía extraordinariamente alta. Después de mucha investigación en baterías de litio recargables, durante los años ochentas, se determinó que los ciclos alteran el electrodo de litio, reduciendo así su estabilidad térmica y causando potencialmente una expansión interna. Si esto ocurre, la temperatura de la celda se acerca rápidamente al punto de fusión del litio, lo cual produce una reacción violenta. Una importante cantidad de baterías de litio recargables enviada a Japón tuvo que ser retirada en 1991 después que una batería en un teléfono celular soltó gases calientes que causaron quemaduras en la cara de un hombre. Debido a la inestabilidad inherente del metal de litio, especialmente durante la carga, la investigación se orientó hacia las baterías de litio no-metálicas que usa iones de litio. Aunque son ligeramente más bajas en cuanto a densidad de energía que las de metal de litio, las de Li-Ion son seguras, con tal de que se reúnan ciertas precauciones al cargar y descargar. En 1991, Sony comercializó la primera batería de Li-Ion. Otros fabricantes le siguieron. Hoy en día, las baterías de Li-Ion son las que crecen más rápidamente en el mundo. Existen cuatro tipos de baterías para dispositivos portátiles ( móviles, inalámbricos, PDAs, etc.) que son los siguientes, desde el más nuevo al más antiguo: Litio Polímero - Este es el tipo más nuevo de baterías utilizadas en los teléfonos móviles. Posee una mayor densidad de potencia que el resto de baterías. Son más finas o ligeras, o una combinación de ambas. Las baterías de Litio Polímero no sufren el temido efecto memoria y pueden ser recargadas en cualquier momento. Kokam ha sacado baterías de 6.600 mAH, frente a los 600 mAH de las actuales.
Litio Ion (Li-Ion) - Este era el último tipo de tecnología de baterías, antes de la aparición del Litio Polímero. Las baterías de Litio Ion tienen una capacidad superior y un menor peso que las de NiCd y NiMH y vienen en mayor número de teléfonos . Para la mayoría de la gente, esta tecnología de baterías represente la mejor combinación de tamaño, capacidad y precio.. Las baterías de Litio Ion no sufren el temido efecto memoria y pueden ser recargadas en cualquier momento. Son más costosas que las de NiCd y NiMH, debido a sus mejores características. Las característicos de las baterías de Liton Ion incluyen: Peso ligero, Alta Densidad de Energía, Largo Ciclo de Vida, Sin Efecto Memoria. "Sin efecto memoria" -hace referencia a que si carga una batería una vez y otra cuando aun tiene cierta energía guardada, la batería construirá eventualmente una "memoria" y no será capaz de agotar y cargar toda su capacidad. Si esto permanece a lo largo del tiempo, puede perder más de un 50% de la vida útil y capacidad de su batería, durante el primer año. Las baterías de Li-Ion / Litio Polímetro no tienen esta clase de memoria, por lo que pueden ser cargadas solamente durante unos pocos minutos cada día y posteriormente ser utilizadas hasta que se acaben. No obstante, para los primeros tres ciclos, asegúrese de recargar las baterías de su móvil completamente y descárguelas completamente antes de recargarlas (inercia de carga inicial), tras lo que cual podrá recargar su batería sólo unos minutos/horas cada día Níquel Metal Hidruro (NiMh) - Estas son el tipo más popular de baterías. Son más ligeras que las de Níquel Cadmio, pero más pesadas que las de Litio-Ion. Aunque las baterías NiMh no son tan susceptibles al temido efecto memoria, deben ser cicladas de vez en cuando, para un ajuste óptimo. Níquel Cadmio (NiCd) - Este es el tipo más antiguo de batería utilizado en móviles. Es el tipo de batería más pesado y con menor capacidad.
Baterías radioactivas...
¿la próxima generación?
Ofrecen una duración de 50 años y dicen que no producirán efectos negativos en los seres humanos Investigadores de la Universidad de Cornell en los EEUU están probando un nuevo prototipo de batería que usa energía radiactiva. Su principal ventaja es que ofrece una autonomía de 50 años y que su pequeño tamaño la hace ideal para su uso en dispositivos de reducidas dimensiones y en circuitos eléctricos.
La batería descargada que hoy arrojamos a la basura, tarda unos setenta años en descomponerse. En los basurales, el mercurio se infiltra a través del suelo contaminando las napas subterráneas de agua. El mercurio y sus derivados son altamente tóxicos y absorbidos en dosis importantes producen una intoxicación que afecta el aparato digestivo y el sistema nervioso. Basta recordar el catastrófico efecto que una fábrica de acetaldehído ocasionó a través del vertido industrial de un derivado del mercurio (dimetilmercurio) en la población costera japonesa de Minamata donde debido al consumo de moluscos y peces contaminados, fallecieron más de cincuenta personas víctimas de lesiones cerebrales severas, entre 1956 y 1971. También se registraron lesiones congénitas en 22 niños recién nacidos. En los últimos años los fabricantes de baterías intentaron reducir el porcentaje de mercurio de sus productos. En la actualidad la proporción de mercurio que lleva cada unidad es ínfima, pero si consideramos las cantidades de baterías que se consumen cotidianamente veremos que las cifras a escala mundial son verdaderamente preocupantes. Sólo en los Estados Unidos se recambian un promedio de 2300 millones de baterías por año. En 1991 se lanzó a la venta la primera batería libre de mercurio pero en la mayoría de los países no hay campañas de información que permitan al público consumidor realizar su elección y exigirlas. Baterías del futuro En su momento, las baterías fueron uno de los inventos más revolucionarios del desarrollo industrial. Veamos como actualmente tratan de volver a la vanguardia de la tecnología. Un gran invento del mundo moderno ha sido, sin duda, la batería. Un artefacto que podríamos definir como: Fuente de Electricidad portátil”. La tecnología de las baterías es complicada y sus componentes costosos. Esas son las razones por las cuales sus capacidades no han aumentado mucho y su precio no ha decrecido como ocurre con otros artefactos de uso cotidiano. Sin embargo, las cosas están cambiando. |