Un motor convencional de gasolina no sirve de nada.
Este convierte la energía química en energía cinética (energía de movimiento) con una eficiencia de tan solo el 25%.
Mientras que un motor eléctrico de la actualidad es tres veces más eficiente.
En los inicios del desarrollo de la tecnología de automóviles, los dispositivos para transformar energía química en eléctrica no eran lo suficientemente eficientes. Este hecho, junto con la disponibilidad de gasolina de gran calidad a bajo precio, hizo que prevaleciesen los motores a combustión.
Con el tiempo acabamos viendo que estos sistemas iban a traer unos grandes inconvenientes para nuestro planeta. Por ello, ahora no deja de crecer el sector de las baterías
Las primeras batería del mundo
Por principios del siglo XVII un italiano llamado Alessandro Volta creó lo que sería una nueva tecnología que ahora en pleno siglo XXI está en su máximo esplendor… LA BATERÍA
Volta apiló discos alternados de cobre y zinc, separados por paños empapados en una disolución salina, generando así una corriente eléctrica continua. ¡Sencillo, pero efectivo!
Luego un poquito más adelante, en el año 1836 John F. Daniell mejoró la pila de Volta con la creación de la que todos conocemos como la pila de Daniell. Esta utilizaba zinc y cobre en una disolución de sulfato de cobre. Lo que hacía que fuera más estable y duradera.
Continuamos en el 1859 donde Gastón Planté inventó la primera batería recargable. La de plomo-ácido. Un gran avance para la ciencia, la cual a un se sigue utilizando en la actualidad en vehículos.
Llegamos al siglo XX donde la tecnología de las baterías explotó. En el 1899 se inventó la batería de niquel-cadmio. No sería hasta el 1950 que llegarían las baterías alcalinas, que ofrecían mayor densidad energética y mayor vida útil.
La clave de la actualidad llegó de la mano de Sony. En 1991 revolucionaron el mercado con la batería de iones de litio con una alta densidad de carga y peso ligero.
Todo esto está genial, pero…
¿Qué es una batería?
Actualmente, encontramos baterías en todas partes: en el reloj que llevamos en la muñeca, en nuestros teléfonos y hasta en los grandes vehículos eléctricos. Sabemos que las cargamos, las utilizamos y se descargan. Pero, ¿cómo funciona realmente una batería?
La respuesta está en la química y las reacciones redox. Para entender bien como funciona una pila debemos saber que son estas reacciones
Reacción de oxidación-reducción, donde un elemento químico se oxida y otro se reduce. Para que lo entendamos mejor: los elementos están formados principalmente por protones, neutrones y electrones. Pues en están reacción, SIEMPRE actúan dos elementos. Uno que gana electrones y el otro que los pierde.
Aquí donde las vemos, las pilas en su interior son más complejas de lo que parece. Un elemento químico se oxida (pierde electrones) y otro se reduce (gana electrones). En una pila, estos elementos están inmersos en una disolución llamada electrolito, que contiene iones de ambos elementos. Los electrodos, polos de metales diferentes, facilitan las reacciones: oxidación en un polo y reducción en el otro, generando corriente eléctrica cuando el sistema está conectado.
Tipos de Pilas: Voltáicas y Electrolíticas
Los químicos denominan a todo este sistema «célula electroquímica», y existen dos tipos principales:
- Células Voltáicas: Reacciones químicas espontáneas que producen electricidad. Ejemplo: las baterías de tu móvil.
- Células Electrolíticas: Reacciones no espontáneas que requieren aporte de energía eléctrica. Ejemplo: la obtención de oxígeno e hidrógeno del agua.
Baterías de Iones de Litio
Las baterías de iones de litio, utilizadas en smartphones, son populares por su rápida carga y mayor duración comparadas con las baterías convencionales. Esto debido a mejores características como su mayor densidad energética.
Estas baterías tienen dos electrodos: un cátodo (electrodo positivo) donde ocurre la reducción, y un ánodo (electrodo negativo) donde sucede la oxidación. El cátodo suele ser una combinación de litio, oxígeno y otro metal como el cobalto.
¿Qué Sucede al Cargar la Batería?
Cuando cargamos nuestras baterías el polo negativo de esta se llena de electrones. Como sabemos negativo y negativo se repelen, pero ahí es donde entra en acción los iones de litio con carga positiva. Estos pasan del polo positivo, a través del electrolito hasta llegar al polo negativo para compensar el exceso de carga negativa.
¡Esta es la química de una batería de iones de litio!
Es como llevar agua de abajo arriba, nada más desenchufe el cargador los electrones ganados, se pierden. Ahora viajan como corriente eléctrica por todo el dispositivo.
Las Baterías del Futuro y el Medioambiente
Aunque las baterías de iones de litio sean las más conocidas y las más utilizadas, no son las únicas. Estas baterías ofrecen ventajas significativas en términos de densidad de energía, vida útil y eficiencia, pero también presentan desafíos como su costo, sensibilidad a la temperatura y reciclaje complejo.
Son una opción popular, especialmente en aplicaciones donde se requiere alta eficiencia y largo ciclo de vida. Por ello, los investigadores están buscando otro tipo de baterías que cumplan mejorar las necesidades sin tener ciertas desventajas que tiene las baterías de litio.
Magnesio en lugar litio
Las baterías de magnesio han sido y siguen siendo una tecnología muy atractiva, pero comercialmente fuera de alcance. Aunque el magnesio es 1000 veces mas abundante en la corteza terrestre en comparación con el litio, la dificultad radica en identificar un material que sirva como cátodo eficaz y robusto.
Con el tiempo los investigadores dieron con un material llamado M7O. Este nuevo material es una aleación de diferentes metales entre los que se encuentran Mg, Li, Cr, Mn, Fe, Zn y Mo. Este cátodo conserva tanto su rendimiento como su estructura durante 34 ciclos de carga. Sin embargo, para que el cátodo funcionara con una corriente y un voltaje óptimos, tuvieron que calentarlo a 90ºC para evitar que los iones de magnesio se movieran demasiado.
Una temperatura tan alta es problemática para las baterías, por ello estas baterías aun tienen mucho margen de mejora para el futuro
Sodio como sustituto ecológico del litio
Las baterías de sodio están resurgiendo debido a sus similitudes con las de litio y su abundancia. Igual que el magnesio es mucho más abundante que el litio, lo que hace que se reduzcan las cadenas de suministro y evidentemente, los costes.
Pero no todo es bueno. Estas baterías también tienen desventajas, entre ellas una menor densidad energética, lo que hace que la autonomía sea menor.
Por otra parte, las batería de litio no son las más limpias hablando en términos de sostenibilidad. La extracción de este metal requiere de muchos recursos. Por no hablar de la falta de reciclaje de las baterías luego de su vida útil.
Mientras que el sodio, es abundante en el agua de mar o en los depósitos de cenizas de sodio. Y como el sodio comparte tantas similitudes químicas con el litio, se ha desarrollado rápidamente y ya se está comercializando.
Reciclaje: Un pilar para la Sostenibilidad
El reciclaje de todas las baterías es fundamental para minimizar el impacto ambiental y promover la sostenibilidad en la industria de almacenamiento de energía. Pero… ¿a qué llamamos batería «verde»?
Para que una batería sea considerada verdaderamente «verde», es esencial que sus componentes sean 100% reciclables. Esto quiere decir que los minerales utilizados en su fabricación, como el litio, el magnesio o el sodio, deben ser recuperados y reutilizados indefinidamente, fomentando una economía circular. ¡Esto es lo ideal!
Sin embargo, el mayor reto no es tanto tecnológico como de cambio de mentalidad tanto en empresas como en consumidores. Aunque ya existen tecnologías para reciclar baterías, éstas necesitan ser escaladas para manejar grandes volúmenes de material de manera eficiente.
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Baterías de Flujo Redox
La gran mayoría de baterías se basan en reacciones redox, pero esta es algo peculiar. Utiliza dos electrolitos líquidos diferentes. Uno en el ánodo y otro en el cátodo, los cuales circulan a través de una celda electroquímica donde sucede la reacción redox.
En la actualidad, son ampliamente reconocidas como sistema de almacenamiento de energía de larga duración para aplicaciones estacionarias y particularmente interesantes para la integración de energías renovables. Así que a lo mejor con el avance de las energías limpias nos empieza a sonar más su nombre.
Baterías de Metal-Aire
Ejemplos de estas baterías son las de zinc-aire y sodio-aire. Estas generan electricidad a partir de la oxidación de un metal con el oxígeno del aire. Estas baterías tienen alta densidad de energía, además de ser ligeras. Se han utilizado y se utilizarán en un futuro para el almacenamiento de energías renovables y sistemas de alimentación.
Lo bueno es que comparado con las baterías de iones de litio, su coste de instalación es inferior a un 25%.
Baterías de Estado Sólido
Estas baterías se sustituye el electrolito líquido por un electrolito sólido, lo que hace mejorar la estabilidad térmica y la seguridad. Además, permite el uso de ánodos de metal de litio que aumentan la densidad de energía.
Una de las claras ventajas de estas baterías es que permiten almacenar hasta tres veces más energía. Lo que implica que en un coche eléctrico circule 3 veces más kilómetros.
Otro punto clave es la reducción de su peso y tamaño en comparación a las baterías de iones de litio que conocemos.
Conclusiones
La evolución de las baterías demuestra cómo la ciencia y la tecnología pueden impulsar un cambio significativo hacia un futuro más sostenible. Desde la limitada eficiencia de los motores de combustión interna hasta la eficiencia y sostenibilidad de las baterías modernas, hemos avanzado considerablemente. Las baterías de iones de litio han revolucionado el almacenamiento de energía, y la búsqueda de alternativas más ecológicas como las de magnesio y sodio refleja el compromiso continuo para superar las limitaciones actuales.
El camino hacia baterías verdaderamente verdes y sostenibles es complejo, pero cada avance nos acerca más a un futuro donde la energía renovable y la eficiencia energética sean la norma. Continuar innovando y adoptando prácticas sostenibles no solo es una necesidad ambiental, sino también una oportunidad para construir un mundo más limpio y saludable para las generaciones futuras.
Bibliografía
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