Autonomia fugaç
2009/07/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia | Lakar Iraizoz, Oihane - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Quin és el problema? Per què no hi ha bateria molt resistent? Hi ha dues possibles respostes. El primer és que sí, les bateries que utilitzem actualment són molt duradores, però que té la mateixa durada, que l'usuari sempre demanarà més. La bateria perfecta no hauria de carregar. Mentre no es compleixi, l'usuari sol·licitarà millores.
Una altra resposta és que una bateria té moltes característiques --és una durada- i, desgraciadament, per a millorar una característica hem de renunciar a una altra. La bateria actual proporciona sense interrupció l'energia necessària. Petit. Barat. I no és molt perillós.
Per això, per a millorar el disseny d'una bateria és necessari decidir quin d'aquestes característiques es vol millorar a costa de quin. El nostre punt de partida és la sostenibilitat. Doncs bé, el primer que cal sacrificar per a fer una bateria molt duradora, és a dir, una bateria que no necessita recarregar durant un mes, seria la grandària de la bateria.
En definitiva, les piles i les bateries són un conjunt de productes químics que generen corrent elèctric. Seleccionant els productes adequats, els àtoms d'un producte subministren electrons als àtoms d'un altre producte. De fet. Per tant, perquè la bateria pugui operar durant més temps és necessari augmentar les quantitats de tots dos productes químics. En definitiva, perquè l'intercanvi d'electrons es prolongui és necessari introduir molts electrons en el sistema, la qual cosa significa que es necessiten grans quantitats de producte donant i receptor. Però això genera un problema de grandària: per a augmentar la durada d'una bateria és necessari augmentar la grandària. Contrari al que exigeix el mercat.
Petits
Els telèfons mòbils actuals són gràcies a les bateries. Utilitzen bateries molt petites. I no obstant això, el mercat exigeix que siguin encara més petits. En aquest sentit, els mercats d'ordinadors portàtils i telèfons mòbils són molt diferents. Els ordinadors no tenen una sola bateria, sinó un grup de bateries. En els mòbils, per contra, la bateria és única i la seva grandària és més important.
Una manera de fabricar bateries petites és substituir aquests productes químics. Sembla una idea senzilla: substituir els àtoms que ocupen poc espai pels quals ocupen molt espai. Per a això és necessari trobar els àtoms petits adequats.
Aquesta revolució es va produir fa uns vint anys. Fins llavors predominaven les bateries de níquel i cadmi o níquel i metall hidrur. Es va inventar un substitut d'aquests sistemes, una nova tecnologia. El canvi més important era la grandària de l'electròlit; les bateries basades en el níquel utilitzaven l'hidròxid potàssic com a font d'ions, mentre que en les noves bateries es va començar a utilitzar un petit àtom: el liti. En ser petits, els ions de liti donen molt més poder a la bateria.
El liti predomina
La revolució ha estat molt gran. Les primeres bateries d'ió liti van ser llançades en 1991 i en l'actualitat han colonitzat l'àmbit dels dispositius electrònics convencionals. Prova la bateria del telèfon mòbil, GPS, PDA, ordinador, càmera de fotos, etc. Gairebé tots els dispositius electrònics convencionals tenen una bateria d'ió liti.
La química basada en el liti presenta importants avantatges enfront de la basada en el sistema niquel-cadmi. D'una banda, per a la mateixa grandària, la bateria d'ió liti proporciona majors potencials i densitats d'energia que l'altra. D'altra banda, no té efectes de memòria, és a dir, encara que es carregui sense descàrrega completa, la bateria no perd capacitat (perquè les bateries de níquel cadmi funcionin correctament és necessari descarregar-les totalment i carregar-les completament en cada cicle, però no d'ió liti). A més, les bateries d'ió liti perden molt poca càrrega mentre no s'usen, a diferència de les de níquel cadmi.
Aparentment tot són avantatges, per la qual cosa en les bateries petites actuals, que requereixen aparells elèctrics portàtils, predomina la tecnologia del liti. Però no sempre ha estat així. En els articles fins fa tres anys, després d'explicar els avantatges del liti, es posava l'accent en una pregunta: "Llavors, per què no veiem aquestes bateries en tots els dispositius?" El problema era la seguretat.
Els químics saben que el liti és un metall perillós. Molt reactiu. S'inflama només en contacte amb l'aire. L'emmagatzematge en nitrogen no és una bona idea, a penes hi ha elements que reaccionin amb el gas nitrogen, però el liti reacciona.
El càtode de la majoria de les bateries està format per un òxid de cobalt. És un material apropiat però es degrada per sobre dels 160C, desprèn oxigen que reacciona molt ràpidament amb el liti i s'inflama. A més, la bateria conté dissolvents orgànics inflamables. Aquesta mescla és una petita bomba. No és una broma: han estat explosions.
Entre els anys 2003 i 2006 es registren els majors problemes amb les bateries de liti en el mercat. Allí, els telèfons mòbils, els ordinadors portàtils, etc. es van incendiar, després d'un incendi o explosió de bateries.
Per explosions o risc d'explosió, HP, Dell, Toshiba, Sony, Sanyo, Nokia, LG i altres fabricants van haver de treure del mercat milers d'eines. Per exemple, s'escoltava periòdicament "Toshiba ha demanat als 340.000 usuaris que han adquirit ordinadors portàtils amb bateria d'aquesta mena de model que retornin les seves eines".
Temps de seguretat
La situació actual no és la mateixa. En els dos últims anys s'ha investigat molt per a garantir la seguretat de les bateries. Per tant, la qüestió de les explosions està superada i l'ió liti ha colonitzat el mercat de la bateria. Com? Doncs sobretot gràcies a uns circuits elèctrics.
Les bateries s'escalfaven principalment en els processos de càrrega i descàrrega. Els fabricants es van adonar que era un problema elèctric. I la solució també podia ser elèctrica. Es va afegir un circuit de seguretat, en definitiva un interruptor. Si la temperatura augmenta per sobre de 90C o la diferència de potencial per sobre de 4,3 volts, el circuit interromp el flux d'electricitat.
Aquest problema ha estat solucionat pel circuit i no obstant això aquest estudi no ha conclòs. En els últims temps, el problema també ha estat analitzat des del punt de vista químic: es pot substituir l'òxid de cobalt. Han buscat un material que necessita molt més de 160 C per a degradar-se. Amb alguns compostos de manganès, la distància de seguretat augmenta en 20 C. I amb alguns fosfats, 50 C més que amb l'òxid de cobalt. Com a contrapartida, es perd la densitat energètica, ja que els càtodes d'òxid de cobalt són els que acumulen major densitat energètica.
De moment, l'òxid de cobalt predomina en els càtodes de les bateries d'ió de liti que usem, però en breu els nous materials podrien substituir el cobalt. El fosfat, per exemple, va ser provat per primera vegada en 1997 i ja s'han començat a comercialitzar bateries fosfatades. Les bateries són més segures i a més el fosfat és més barat que l'òxid de cobalt.
Últim, polímers
La recerca de materials també ha incidit en un àmbit diferent al de la seguretat: la grandària. El liti és petit i és difícil trobar un electròlit més petit, però existeix la possibilitat de reduir la zona en la qual es mou aquest electròlit. En lloc de submergir-se en un líquid orgànic en un sòlid filamentós, es poden fer bateries més fines. Amb aquesta idea neixen les bateries d'ió liti amb suport polímer, les bateries de polímer de liti.
Què es perd en aquest cas? Com és lògic, en utilitzar un sòlid en lloc d'un líquid es perd la mobilitat de l'electròlit. El polímer no és un sòlid rígid sinó un gel, i no obstant això és el problema de la mobilitat. En conseqüència, la bateria no aporta tanta tensió com la de l'ió de liti convencional. En lloc de 3,7 volts, el polímer de liti queda al voltant de 3,4.
No suposa una gran reducció, però cal tenir en compte que aquesta tecnologia ha de respondre a la dansa del mercat. A mesura que avança la recerca de les bateries, el mercat també ha evolucionat. En el cas dels ordinadors portàtils, les bateries no han canviat tant perquè han avançat amb un estàndard. Per contra, els telèfons mòbils, a més de ser cada vegada més petits, ofereixen cada vegada més recursos: Capacitat de connexió a Internet, ampliació i millora de pantalles, etc.
El mercat demanda bateries més potents, no sols més sostenibles i petites. I per a satisfer aquesta necessitat, espera la pròxima revolució de les bateries.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
