La serie de la batería
Parte 1: La evolución de la tecnología de baterías
The Battery Series es una serie infográfica de cinco partes que explora lo que los inversores necesitan saber sobre la tecnología moderna de baterías, incluido el suministro de materias primas, la demanda y las aplicaciones futuras.
Introducción a la serie de la batería
Hoy en día, la forma en que almacenamos energía es tan importante como la forma en que la generamos.
La tecnología de baterías ya hace posibles los autos eléctricos, además de ayudarnos a almacenar energía de emergencia, volar satélites y usar dispositivos electrónicos portátiles.
Pero mañana, ¿podría estar abordando un avión a batería o viviendo en una ciudad alimentada por la noche con energía solar?
The Battery Series es una serie infográfica de cinco partes que explora cómo funcionan las baterías, los jugadores en el mercado, los materiales necesarios para construir baterías y cómo los futuros desarrollos de baterías pueden afectar al mundo. Esta es la Parte 1 , que analiza los conceptos básicos de las baterías y la historia de la tecnología de baterías.
Conceptos básicos de la batería
Las baterías convierten la energía química almacenada directamente en energía eléctrica. Las baterías tienen tres componentes principales:
(-) Ánodo: El electrodo negativo que se oxida, liberando electrones
(+) Cátodo: El electrodo positivo que se reduce, al adquirir electrones
Electrolito: El medio que proporciona el mecanismo de transporte de iones entre el cátodo y el ánodo de una celda. Puede ser líquido o sólido.
En el nivel más básico, las baterías son muy simples. De hecho, una batería primitiva se puede hacer incluso con un centavo de cobre, un clavo galvanizado (zinc) y un limón o una patata.
La evolución de la tecnología de baterías
Mientras que crear una batería simple es bastante fácil, el desafío es que hacer una buena batería es muy difícil. Equilibrar la potencia, el peso, el costo y otros factores implica administrar muchas compensaciones, y los científicos han trabajado durante cientos de años para llegar al nivel actual de eficiencia.
Aquí hay una breve historia de cómo las baterías han cambiado a lo largo de los años:
Pila voltaica (1799)
El físico italiano Alessandro Volta, en 1799, creó la primera batería eléctrica que podía proporcionar corriente eléctrica continua a un circuito. La pila voltaica usaba zinc y cobre como electrodos con papel empapado en salmuera como electrolito.
Su invento refutó la teoría común de que la electricidad solo podía ser creada por seres vivos.
Daniel Cell (1836)
Unos 40 años después, un químico británico llamado John Frederic Daniell crearía una nueva celda que resolvería el problema de la “burbuja de hidrógeno” de la pila voltaica. Este problema anterior, en el que se acumulaban burbujas en el fondo de los electrodos de zinc, limitaba la vida útil y los usos de la pila.
La celda de Daniell, inventada en 1836, utilizaba una olla de cobre llena de solución de sulfato de cobre, que se sumergía en un recipiente de barro lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc.
El potencial eléctrico de la celda de Daniell se convirtió en la unidad base para el voltaje, igual a un voltio.
Plomo-ácido (1859)
La batería de plomo-ácido fue la primera batería recargable, inventada en 1859 por el físico francés Gaston Planté.
Las baterías de plomo-ácido sobresalen en dos áreas: son de muy bajo costo y también pueden suministrar altas corrientes de sobretensión.
Esto las hace adecuadas para motores de arranque de automóviles, incluso con la tecnología actual, y es parte de la razón por la cual se vendieron $44,700 millones en baterías de plomo-ácido en todo el mundo en 2014.
Níquel Cadmio (1899)
Las baterías de NiCd fueron inventadas en 1899 por Waldemar Jungner en Suecia. Los primeros eran “células húmedas”, similares a las baterías de plomo-ácido, que utilizaban un electrolito líquido.
Las baterías de níquel cadmio ayudaron a allanar el camino para la tecnología moderna, pero se usan cada vez menos debido a la toxicidad del cadmio. Las baterías de NiCd perdieron el 80 % de su cuota de mercado en la década de 1990 frente a baterías que nos son más familiares hoy en día.
Pilas alcalinas (década de 1950)
Popularizadas por marcas como Duracell y Energizer, las pilas alcalinas se utilizan en dispositivos domésticos normales, desde controles remotos hasta linternas. Son económicos y, por lo general, no recargables, aunque se pueden volver recargables mediante el uso de una celda especialmente diseñada.
La batería alcalina moderna fue inventada por el ingeniero canadiense Lewis Urry en la década de 1950. Usando zinc y óxido de manganeso en los electrodos, el tipo de batería recibe su nombre del electrolito alcalino utilizado: hidróxido de potasio.
Se han fabricado más de 10 mil millones de pilas alcalinas en el mundo.
Hidruro de níquel-metal (1989)
Similar a la batería recargable de NiCd, la fórmula de NiMH utiliza una aleación que absorbe hidrógeno en lugar de cadmio tóxico. Esto lo hace más seguro para el medio ambiente y también ayuda a aumentar la densidad de energía.
Las baterías de NiMH se utilizan en herramientas eléctricas, cámaras digitales y algunos otros dispositivos electrónicos. También se utilizaron en los primeros vehículos híbridos como el Toyota Prius.
El desarrollo del NiMH abarcó dos décadas y fue patrocinado por Daimler-Benz y Volkswagen AG. Las primeras células disponibles comercialmente fueron en 1989.
Iones de litio (1991)
Sony lanzó la primera batería comercial de iones de litio en 1991.
Las baterías de iones de litio tienen una alta densidad de energía y tienen varias formulaciones de cátodo específicas para diferentes aplicaciones.
Por ejemplo, los cátodos de dióxido de cobalto y litio (LiCoO2) se usan en computadoras portátiles y teléfonos inteligentes, mientras que los cátodos de óxido de aluminio y cobalto de litio y níquel (LiNiCoAlO2), también conocidos como NCA, se usan en las baterías de vehículos como el Tesla Model S.
El grafito es un material común para usar en el ánodo, y el electrolito suele ser un tipo de sal de litio suspendida en un solvente orgánico.
El espectro de la batería recargable
Hay varios factores que podrían afectar la elección de la batería, incluido el costo.
Sin embargo, estos son dos de los factores más importantes que determinan específicamente el ajuste y el uso de baterías recargables:
Piense en la energía específica como en la cantidad de agua en un tanque. Es la cantidad de energía que contiene una batería en total.
Mientras tanto, la potencia específica es la velocidad a la que el agua puede salir del tanque. Es la cantidad de corriente que una batería puede suministrar para un uso determinado.