Las pilas lo alimentan todo: lo que sabemos sobre la tecnología que mueve el mundo moderno

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Sin pilas, la vida de las personas sería muy distinta. Pero, ¿cómo surgió esta tecnología y qué le depara el futuro?

El mundo moderno tal como lo conocemos no sería posible sin las pilas. Desde los teléfonos móviles hasta los coches eléctricos, las pilas alimentan muchos de los dispositivos electrónicos portátiles que nos rodean. Son una fuente de electricidad cómoda y portátil que nos permite estar conectados, trabajar de forma eficiente y hacer posible un futuro más sostenible al recargarse a partir de fuentes de energía renovables. Las innovaciones en la tecnología de las pilas están impulsando el progreso en diversas industrias. Los expertos se esfuerzan constantemente por mejorar el rendimiento de las baterías aumentando su densidad energética, reduciendo los tiempos de carga y alargando su vida útil para hacernos la vida más fácil.

Focus ha traducido un artículo de Interesting Engineering sobre cómo ha evolucionado la tecnología de las baterías.

Cómo surgieron las baterías: un poco de historia

Antes de la invención de las pilas modernas en el siglo XVIII, se utilizaban los llamados «tarros de Leiden» para almacenar carga eléctrica. Estos «tarros» pueden considerarse una versión primitiva de los condensadores, que almacenaban físicamente su carga y la liberaban de una sola vez, a diferencia de los dispositivos modernos. Para aumentar la fuerza de la carga, los científicos tenían que conectar muchos frascos entre sí. Sin embargo, a finales del siglo XVIII, Luigi Galvani y Alessandro Volta realizaron experimentos con «polos voltaicos» creados alternando capas de discos de zinc y cobre con capas de cartón empapadas en salmuera. Los «polos» permitían generar un flujo continuo de electricidad. El invento de Volta allanó el camino para el desarrollo de baterías capaces de almacenar y suministrar electricidad.

A principios del siglo XIX, John Frederick Daniell presentó un dispositivo innovador denominado «célula Daniell», que utilizaba soluciones electrolíticas separadas con electrodos de cobre y zinc, lo que reducía significativamente la resistencia interna, mejoraba la estabilidad y aumentaba la eficiencia. La «célula Daniell» demostró ser una fuente de energía fiable para las redes telegráficas, haciendo posible la comunicación a larga distancia.

En 1859, Gaston Plantet creó una batería recargable de plomo y ácido. Funcionaba mediante electrodos de plomo y dióxido de plomo sumergidos en un electrolito de ácido sulfúrico. Este invento fue revolucionario en el campo del almacenamiento de energía, abriendo la puerta al uso generalizado de las baterías en diversas industrias. Entre ellas, los primeros vehículos eléctricos y los sistemas de energía estacionarios.

A mediados del siglo XX, la necesidad de pilas compactas y fiables para alimentar nuevos dispositivos electrónicos era cada vez mayor. Lewis Urry desarrolló una pila alcalina para satisfacer esta demanda; más tarde, la Eveready Battery Company la introdujo como pila alcalina de dióxido de manganeso de uso generalizado. Y a finales de siglo, las pilas de litio se utilizaban ampliamente para alimentar dispositivos portátiles (reproductores, videocámaras), y Sony fue uno de los principales contribuyentes a ello.

Principales tipos de pilas

Las pilas se dividen en dos tipos principales: «primarias» y «secundarias».

  • La pila primaria se utiliza para alimentar dispositivos portátiles (linternas, cámaras, relojes, juguetes, radios). Sin embargo, no puede recargarse y debe desecharse tras su uso. Pero su ventaja es su bajo coste y mínimo mantenimiento. A estas pilas las llamamos de tipo dedo o de botón.
  • Una pila secundaria, o pila recargable, puede cargarse con electricidad después de descargarse. Haciendo pasar una corriente a través de las celdas en dirección opuesta a su descarga, las celdas galvánicas pueden volver a su estado original. Las baterías secundarias se utilizan como dispositivos de almacenamiento de energía (power banks) o como batería principal, por ejemplo, como en los smartphones. Cabe destacar que las baterías recargables tienen una densidad energética menor, pero presentan una densidad de potencia elevada, curvas de descarga planas, una alta velocidad de descarga y un buen rendimiento a bajas temperaturas.

Hay muchos tipos de pilas secundarias, pero las más comunes son:

  • Plomo-ácido.
  • Níquel-cadmio.
  • Hidruro de níquel-metal.
  • Litio-iónico.
  • Sodio-iónico

Baterías de iones de litio: para electrónica portátil y coches eléctricos

Las baterías de litio son muy utilizadas por su alta densidad energética, lo que significa que pueden almacenar más energía que otros tipos de baterías. Otras ventajas son su ligereza, su capacidad para funcionar bien a temperaturas extremas y una vida útil de unos 10 años. Sin embargo, son fácilmente inflamables y requieren una eliminación especial al final de su vida útil.

Las pilas de litio tienen mayor capacidad de carga en miliamperios-hora (mAh) que otras pilas no recargables y están disponibles en tamaños AA, AAA y 9V. Una sola pila de litio AA con un rango de 2700-3400+ mAh puede durar mucho tiempo, incluso con un uso intensivo. Otros tipos, especialmente las de iones de litio (Li-ion), también son recargables.

Baterías de plomo-ácido: para coches y sistemas de energía de reserva

Las baterías de plomo-ácido son las más populares entre las baterías recargables. Vienen en una gran variedad de configuraciones, desde pequeñas celdas selladas con una capacidad de 1 Ah hasta grandes celdas con una capacidad de 12.000 Ah. Se utilizan como baterías de arranque, alumbrado y encendido (SLI) para automóviles, almacenamiento de energía, alimentación de emergencia, vehículos eléctricos e híbridos, sistemas de comunicación y sistemas de alumbrado de emergencia. La amplia gama de aplicaciones se debe al amplio rango de voltaje, las diversas formas y tamaños, el bajo coste y la facilidad de mantenimiento.

Pilas de níquel-cadmio: fiables y duraderas

Las pilas de níquel-cadmio (NiCd) se utilizan habitualmente en juguetes, cámaras digitales, linternas y otros dispositivos de alto consumo. Están disponibles en los tamaños estándar AA, AAA, C y 9V. A diferencia de las pilas alcalinas, las pilas de NiCd mantienen un voltaje constante hasta que se descargan por completo. Suelen ser baratas, se descargan rápidamente y pueden funcionar a plena capacidad. Las desventajas son que se almacenan mal durante mucho tiempo y necesitan descargarse completamente antes de recargarse, contienen metales tóxicos y requieren una eliminación especial.

Pilas de níquel-hidruro metálico: coches híbridos y aparatos portátiles

Aunque las pilas de NiMH tienen una alta densidad energética, se consideran relativamente seguras para el medio ambiente y pueden utilizarse a plena capacidad. Normalmente se envían descargadas, por lo que hay que cargarlas por completo antes de usarlas por primera vez, pero una sobrecarga puede reducir su capacidad.

Estos dispositivos consumen una cantidad mínima de energía, por lo que es mejor utilizarlos en un plazo de 30-60 días. Al igual que las pilas de níquel-cadmio, las de níquel-hidruro metálico conservan toda su capacidad hasta que se descargan casi por completo.

Baterías de iones de sodio: una nueva tecnología

Una batería de iones de sodio es similar a una de iones de litio, pero se utilizan iones de sodio (Na+) como portadores de carga en lugar de iones de litio (Li+). Los principios de funcionamiento y el diseño de las celdas son casi idénticos, pero se utilizan compuestos de sodio en lugar de litio. Las baterías de iones de sodio son una alternativa potencial a las tecnologías de iones de litio por su menor coste, disponibilidad y menor impacto ambiental, ya que utilizan sodio y aluminio, baratos y abundantes, en lugar de litio y cobre.

De qué están hechas las pilas: componentes principales

Las pilas están formadas por un ánodo, un cátodo y un electrolito con un separador para evitar el contacto. Tanto el ánodo como el cátodo son tipos de electrodos, conductores que permiten que la electricidad entre y salga de un componente de un circuito. Veámoslos con más detalle.

Ánodo.

Los electrones fluyen desde el ánodo hacia el circuito cuando le llega una corriente normal. En una pila, la reacción entre el ánodo y el electrolito produce electrones que quieren desplazarse hacia el cátodo, pero no pueden atravesar el electrolito o el separador hasta que se cierra el circuito.

Cátodo.

Los electrones fluyen hacia el cátodo a través de un circuito externo del dispositivo. En las pilas, el cátodo experimenta una reacción química utilizando los electrones formados en el ánodo.

Batería de estado sólido - vista interior

Electrolito

Un electrolito es una sustancia que transporta iones entre el ánodo y el cátodo a la vez que inhibe el flujo de electrones para que puedan pasar fácilmente a través de un circuito externo. El electrolito es esencial para que la pila funcione. Como los electrones no pueden atravesarlo, «viajan» a lo largo de los conductores eléctricos del circuito que conecta el ánodo con el cátodo.

Separador

Los separadores evitan que el ánodo y el cátodo se toquen, lo que puede provocar un cortocircuito. Pueden ser de algodón, nailon, poliéster, cartón o películas de polímeros sintéticos. Los iones del electrolito pueden tener carga positiva o negativa y variar de tamaño. Los separadores especiales pueden permitir selectivamente el paso de los iones.

Carcasa

La mayoría de las pilas necesitan carcasas para contener sus componentes químicos. Pueden ser de plástico, acero, laminado de polímero blando y otros materiales. Algunas pilas utilizan una carcasa de acero conductora conectada eléctricamente a uno de los electrodos, como el cátodo de una pila alcalina AA convencional.

Principios básicos del funcionamiento de las pilas

Los principales componentes de una pila son el ánodo (electrodo positivo), el cátodo (electrodo negativo) y el electrolito. Veamos qué ocurre entre ellos para que la pila funcione.

Así, el funcionamiento de una pila se garantiza mediante reacciones redox asociadas a la transferencia de electrones de una molécula (o átomo) a otra. La oxidación tiene lugar en el ánodo para liberar electrones. Por ejemplo, en una pila clásica de carbono-zinc, el zinc metálico del ánodo se oxida para formar iones de zinc. Estos electrones fluyen hacia el cátodo a través de un circuito externo, proporcionando energía eléctrica. En el cátodo, el proceso de reducción tiene lugar cuando los iones positivos unen electrones. En una pila de carbono-zinc, por ejemplo, los electrones entrantes reducen el dióxido de manganeso en el cátodo.

El electrolito de la pila permite que los iones se muevan entre los electrodos, impidiendo el flujo directo de electrones entre los electrodos de la pila. Este movimiento de iones mantiene la carga neutra dentro de la pila. La pila produce energía convirtiendo la energía química en energía eléctrica mediante reacciones electroquímicas.

¿Qué es la capacidad, la densidad de energía y el voltaje en el contexto de una batería?

La capacidad mide la carga total de una batería, a menudo expresada en miliamperios-hora (mAh) o amperios-hora (Ah). La capacidad de una batería nos da una idea de cuánto tiempo puede suministrar una determinada corriente. Por ejemplo, una batería de 2000 mAh debería poder suministrar 2000 mA durante 1 hora.

El voltaje se mide en voltios (V). Es esencialmente la «presión» que controla el flujo de electrones del ánodo al cátodo. La tensión nominal de una pila viene determinada por su composición química. Por ejemplo, una pila de iones de litio tiene una tensión nominal de aproximadamente 3,6 V.

La densidad energética mide la energía que una pila puede almacenar por unidad de volumen, expresada a menudo en vatios-hora por litro (Wh/L). La densidad de energía es un indicador clave de cuánta energía puede almacenar una batería por su tamaño o peso. Los dispositivos con alta densidad energética se instalan en vehículos eléctricos y smartphones porque pueden almacenar más energía en un espacio más pequeño.

Dónde se utilizan más pilas y acumuladores

Electrónica de consumo

La electrónica de consumo, como los teléfonos inteligentes, los ordenadores portátiles y los wearables, funciona con pilas. Las baterías de iones de litio se utilizan mucho por su alta densidad energética y capacidad de recarga, que permiten integrar funciones como Internet móvil, pantallas de alta definición y computación compleja.

Vehículos eléctricos

Las baterías son cruciales para los vehículos eléctricos, desde coches eléctricos hasta autobuses y camiones. Se necesita una alta densidad de energía y potencia para los desplazamientos de larga distancia, la carga rápida y la aceleración. Por eso, el desarrollo de baterías para vehículos eléctricos se centra en reducir costes y mejorar la seguridad.

Almacenamiento de energías renovables

A medida que crece el uso de fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar, también lo hace la demanda de soluciones de almacenamiento de energía para equilibrar la oferta y la demanda. Las baterías pueden almacenar el exceso de energía producida durante los periodos de alta generación renovable, como los periodos soleados o ventosos, y luego suministrar esta energía a la red durante los periodos de alta demanda o cuando la generación renovable es baja, como por la noche o con tiempo tranquilo. Para ello se utilizan sistemas de almacenamiento de energía en la red, desde pequeños sistemas domésticos hasta grandes sistemas de almacenamiento en baterías.

Batería para electrónica de consumo

Aeroespacial y defensa

En la industria aeroespacial, las baterías desempeñan un papel crucial en el arranque de los motores de los aviones y la alimentación de los sistemas eléctricos de a bordo. Las baterías también se instalan en satélites y vehículos todoterreno y almacenan la energía generada por los paneles solares. También se utilizan en aplicaciones de defensa para alimentar equipos y vehículos militares. Debido a la naturaleza de estas aplicaciones, las baterías deben ser fiables, seguras y capaces de funcionar en condiciones extremas.

Equipos médicos

Las pilas son esenciales para una gran variedad de dispositivos médicos, incluidos aparatos portátiles como audífonos y bombas de insulina, así como equipos más grandes como desfibriladores. Además, las baterías se utilizan en dispositivos implantables como marcapasos y neuroestimuladores, que requieren una fiabilidad y durabilidad muy elevadas. En estos casos, el rendimiento de la batería puede repercutir directamente en la salud y la seguridad del paciente.

Desarrollo de tecnologías de baterías

Baterías de estado sólido

A diferencia de los electrolitos líquidos o de gel, este tipo de batería utiliza un electrolito sólido, como cerámica, vidrio o un polímero sólido. Esto presenta una serie de ventajas: mayor densidad energética (que puede aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos o prolongar la vida útil de los componentes electrónicos), mayor seguridad (los electrolitos sólidos suelen ser más estables, por lo que se reduce el riesgo de incendio).

A pesar de las ventajas, también existen retos en cuanto a complejidad de producción y garantía de una larga vida útil. Sin embargo, numerosas empresas e institutos de investigación trabajan para superar estos obstáculos y comercializar baterías de estado sólido.

Baterías de flujo

Las baterías de flujo son una solución para el almacenamiento de energía a gran escala y a largo plazo. Almacenan energía química en depósitos externos, convirtiéndola en electricidad en celdas electroquímicas que pueden escalarse independientemente unas de otras. Las baterías de flujo suelen tener una densidad energética menor que las de iones de litio. Sin embargo, su potencial para una larga vida útil con una pérdida mínima de energía y su capacidad para descargar energía durante largos periodos de tiempo las hacen atractivas para su uso en sistemas de energía.

Alternativas a las baterías de iones de litio

Aunque las baterías de iones de litio dominan el mercado de las baterías recargables, los científicos buscan un sustituto para superar sus limitaciones y satisfacer la creciente demanda de almacenamiento de energía. Entre las alternativas se encuentran las baterías de ión-sodio, ión-magnesio, ión-zinc y litio-azufre. Cada alternativa tiene ventajas como el bajo coste, la mejora de la seguridad o el aumento de la densidad energética, pero ninguna de ellas puede entrar aún en el mercado porque se necesita investigación y desarrollo.

¿Qué será lo próximo? ¿Cómo será un mundo sin pilas?

La industria de la tecnología de las pilas se está desarrollando rápidamente debido a la demanda de los consumidores, las exigencias medioambientales y los avances tecnológicos. Las mejoras son claramente necesarias para abordar los problemas medioambientales, mejorar la eficiencia de los dispositivos electrónicos, reducir el consumo de energía, mejorar la seguridad, aumentar la productividad e integrarse con las redes inteligentes y los dispositivos IoT. Puede afirmarse que los dispositivos de baterías son clave para la transición mundial hacia la energía verde.

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