Autonomía fugaz
Cal é o problema? Por que non hai batería moi resistente? Hai dúas posibles respostas. O primeiro é que si, as baterías que utilizamos actualmente son moi duradeiras, pero que ten a mesma duración, que o usuario sempre vai pedir máis. A batería perfecta non debería cargar. Mentres non se cumpra, o usuario solicitará melloras.
Outra resposta é que una batería ten moitas características --é una duración- e, desgraciadamente, paira mellorar una característica debemos renunciar a outra. A batería actual proporciona sen interrupción a enerxía necesaria. Pequeno. Barato. E non é moi perigoso.
Por iso, paira mellorar o deseño dunha batería é necesario decidir cal destas características quérese mellorar á conta de cal. O noso punto de partida é a sustentabilidade. Pois ben, o primeiro que hai que sacrificar paira facer una batería moi duradeira, é dicir, una batería que non necesita recargar durante un mes, sería o tamaño da batería.
En definitiva, as pilas e as baterías son un conxunto de produtos químicos que xeran corrente eléctrica. Seleccionando os produtos adecuados, os átomos dun produto fornecen electróns aos átomos doutro produto. De feito. Por tanto, para que a batería poida operar durante máis tempo é necesario aumentar as cantidades de ambos os produtos químicos. En definitiva, para que o intercambio de electróns prolónguese é necesario introducir moitos electróns no sistema, o que significa que se necesitan grandes cantidades de produto doante e receptor. Pero isto xera un problema de tamaño: paira aumentar a duración dunha batería é necesario aumentar o tamaño. Contrario ao que esixe o mercado.
Pequenos
Os teléfonos móbiles actuais son grazas ás baterías. Utilizan baterías moi pequenas. E con todo, o mercado esixe que sexan aínda máis pequenos. Neste sentido, os mercados de computadores portátiles e teléfonos móbiles son moi diferentes. Os computadores non teñen una soa batería, senón un grupo de baterías. Nos móbiles, pola contra, a batería é única e o seu tamaño é máis importante.
Una forma de fabricar baterías pequenas é substituír estes produtos químicos. Parece una idea sinxela: substituír os átomos que ocupan pouco espazo polos que ocupan moito espazo. Paira iso é necesario atopar os átomos pequenos adecuados.
Esta revolución produciuse fai uns vinte anos. Até entón predominaban as baterías de níquel e cadmio ou níquel e metal hidruro. Inventouse un substituto destes sistemas, una nova tecnoloxía. O cambio máis importante era o tamaño do electrolito; as baterías baseadas no níquel utilizaban o hidróxido potásico como fonte de iones, mentres que nas novas baterías empezouse a utilizar un pequeno átomo: o litio. Ao ser pequenos, os iones de litio dan moito máis poder á batería.
O litio predomina
A revolución foi moi grande. As primeiras baterías de ion litio foron lanzadas en 1991 e na actualidade han colonizado o ámbito dos dispositivos electrónicos convencionais. Proba a batería do teléfono móbil, GPS, PDA, computador, cámara de fotos, etc. Case todos os dispositivos electrónicos convencionais teñen una batería de ion litio.
A química baseada no litio presenta importantes vantaxes fronte á baseada no sistema niquel-cadmio. Por unha banda, paira o mesmo tamaño, a batería de ion litio proporciona maiores potenciais e densidades de enerxía que a outra. Por outra banda, non ten efectos de memoria, é dicir, aínda que se cargue sen descarga completa, a batería non perde capacidade (para que as baterías de níquel cadmio funcionen correctamente é necesario descargalas totalmente e cargalas completamente en cada ciclo, pero non de ion litio). Ademais, as baterías de ion litio perden moi pouca carga mentres non se usan, a diferenza das de níquel cadmio.
Aparentemente todo son vantaxes, polo que nas baterías pequenas actuais, que requiren aparellos eléctricos portátiles, predomina a tecnoloxía do litio. Pero non sempre foi así. Nos artigos até hai tres anos, tras explicar as vantaxes do litio, facíase fincapé nunha pregunta: "Entón, por que non vemos estas baterías en todos os dispositivos?" O problema era a seguridade.
Os químicos saben que o litio é un metal perigoso. Moi reactivo. Se inflama só en contacto co aire. O almacenamento en nitróxeno non é una boa idea, apenas hai elementos que reaccionen co gas nitróxeno, pero o litio reacciona.
O cátodo da maioría das baterías está formado por un óxido de cobalto. É un material apropiado pero degrádase por encima dos 160C, desprende osíxeno que reacciona moi rapidamente co litio e se inflama. Ademais, a batería contén disolventes orgánicos inflamables. Esta mestura é una pequena bomba. Non é una broma: foron explosións.
Entre os anos 2003 e 2006 rexístranse os maiores problemas coas baterías de litio no mercado. Alí, os teléfonos móbiles, os computadores portátiles, etc. incendiáronse, despois dun incendio ou explosión de baterías.
Por explosións ou risco de explosión, HP, Dell, Toshiba, Sony, Sanyo, Nokia, LG e outros fabricantes tiveron que sacar do mercado miles de ferramentas. Por exemplo, escoitábase periodicamente "Toshiba pediu aos 340.000 usuarios que adquiriron computadores portátiles con batería deste tipo de modelo que devolvan as súas ferramentas".
Tempo de seguridade
A situación actual non é a mesma. Nos dous últimos anos investigouse moito paira garantir a seguridade das baterías. Por tanto, a cuestión das explosións está superada e o ion litio ha colonizado o mercado da batería. Como? Pois sobre todo grazas a uns circuítos eléctricos.
As baterías quentábanse principalmente nos procesos de carga e descarga. Os fabricantes déronse conta de que era un problema eléctrico. E a solución tamén podía ser eléctrica. Engadiuse un circuíto de seguridade, en definitiva un interruptor. Se a temperatura aumenta por encima de 90C ou a diferenza de potencial por encima de 4,3 voltios, o circuíto interrompe o fluxo de electricidade.
Este problema foi solucionado polo circuíto e con todo este estudo non concluíu. Nos últimos tempos, o problema tamén foi analizado desde o punto de vista químico: pódese substituír o óxido de cobalto. Buscaron un material que necesita moito máis de 160 C paira degradarse. Con algúns compostos de manganeso, a distancia de seguridade aumenta en 20 C. E con algúns fosfatos, 50 C máis que co óxido de cobalto. Como contrapartida, pérdese a densidade enerxética, xa que os cátodos de óxido de cobalto son os que acumulan maior densidade enerxética.
Polo momento, o óxido de cobalto predomina nos cátodos das baterías de ion de litio que usamos, pero en breve os novos materiais poderían substituír o cobalto. O fosfato, por exemplo, foi probado por primeira vez en 1997 e xa se empezaron a comercializar baterías fosfatadas. As baterías son máis seguras e ademais o fosfato é máis barato que o óxido de cobalto.
Último, polímeros
A investigación de materiais tamén incidiu nun ámbito diferente ao da seguridade: o tamaño. O litio é pequeno e é difícil atopar un electrolito máis pequeno, pero existe a posibilidade de reducir a zona na que se move leste electrolito. En lugar de mergullarse nun líquido orgánico nun sólido filamentoso, pódense facer baterías máis finas. Con esta idea nacen as baterías de ion litio con soporte polímero, as baterías de polímero de litio.
Que se perde neste caso? Como é lóxico, ao utilizar un sólido en lugar dun líquido pérdese a mobilidade do electrolito. O polímero non é un sólido ríxido senón un xel, e con todo é o problema da mobilidade. En consecuencia, a batería non achega tanta tensión como a do ion de litio convencional. En lugar de 3,7 voltios, o polímero de litio queda ao redor de 3,4.
Non supón una gran redución, pero hai que ter en conta que esta tecnoloxía debe responder á danza do mercado. A medida que avanza a investigación das baterías, o mercado tamén evolucionou. No caso dos computadores portátiles, as baterías non cambiaron tanto porque avanzaron cun estándar. Pola contra, os teléfonos móbiles, ademais de ser cada vez máis pequenos, ofrecen cada vez máis recursos: Capacidade de conexión a Internet, ampliación e mellora de pantallas, etc.
O mercado demanda baterías máis potentes, non só máis sustentables e pequenas. E paira satisfacer esta necesidade, espera a próxima revolución das baterías.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
