Autonomía fugaz

2009/07/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia | Lakar Iraizoz, Oihane - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak
• Teknologia
• Energia

(Foto: De arquivo)

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

Una mirada á evolución das pilas.

Roberto Gutiérrez

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.

As baterías de computadores portátiles son notablemente superiores ás de teléfonos móbiles. A demanda de enerxía é moito maior. Na base, con todo, son iguais: as baterías dos computadores son conxuntos de varias baterías de móbiles, de 4, 6 ou 8 células.

Guillermo Roia

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

Yahoo! Estalou na oficina central da compañía en Estados Unidos. A explosión provocou que todas as alarmas contra incendios comezasen a soar. O persoal de toda a torre de oficinas na que se achaba o computador que explotou foi expulsado do edificio e en 45 minutos non puido volver ao traballo.

Stewart Butterfield

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.

Os sistemas de baterías de litio proporcionan una tensión de 3,7 V, o triplo que os de níquel. Así, paira obter a mesma tensión coas baterías de níquel, colócanse tres baterías en serie.

Guillermo Roia

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.

Mercado de litios no peto

O litio ocupa cada vez máis espazo no mercado de baterías. Segundo a consultora Avicenne D veloppement, nos últimos anos triplicouse a proporción de baterías de litio no mercado: No ano 2000 non chegaba ao 17% e en 2008 o 58% do total das baterías eran de litio. De face ao futuro, ademais, parece que van adquirir una proporción cada vez maior. Segundo a previsión realizada por esta empresa, paira o ano 2015 destinarase aproximadamente o 68% do mercado.

(Foto: Oihane Lakar)

A proporción non é a única que aumentou. En termos cuantitativos, os aparellos electrónicos que necesitan baterías aumentaron considerablemente e, por suposto, as baterías tamén. O número de usuarios de teléfonos móbiles, por exemplo, pasou de apenas mil millóns a catro mil millóns nos últimos oito anos. As baterías responderon a esta maior necesidade e pasaron de preto de 3.000 millóns de baterías a 5.500 millóns desde o ano 2000.

Entre as baterías, as de litio son, sen dúbida, as que máis proliferan, e por iso cada vez teñen maior proporción. Con todo, a proporción de baterías de níquel non é despreciable, xa que supoñen cerca do 40% do mercado. A proporción é menor que hai uns anos, pero iso non significa que estean a desaparecer. En números absolutos obsérvanse variacións moi pequenas nas baterías de níquel.

The recargeable Battery market, 2007-2020, june 2008.

(Foto: Guillermo Roia)

Os dous subgrupos de baterías de níquel, con todo, teñen una tendencia desfavorable no mercado. Os que substitúen ao cadmio polo hidruro de metal van cara arriba e parece que seguirán ascendendo. Máis da metade das baterías están destinadas a coches eléctricos e o resto utilízanse paira teléfonos inalámbricos, xoguetes, etc.

Os que teñen cadmio, pola súa banda, están en declive e as previsións de futuro apuntan a que seguirán por ese camiño. Non é de estrañar que as baterías de hidruro de metal creáronse paira substituír ás de cadmio, co fin de evitar dalgunha maneira o efecto contaminante do cadmio.

Efecto memoria

As baterías de níquel cadmio deixáronnos una gran pegada. Aprendemos que durante a carga hai que cargalas por completo e que ao descargalas débense utilizar ata que se baleire completamente a batería. Se non se fai completamente, as baterías de níquel cadmio evócanse" con esta carga intermedia e vanse gastando. Isto é o que os expertos chamaron efecto memoria. É un problema físico, se non se carga totalmente, o material interior da batería cristalízase e perde propiedades eléctricas. Parece que nas novas baterías de hidruro de niquel metal está a superarse o efecto de memoria, pero aínda é moi xeral nas baterías de níquel.

Esquemas simplificados de baterías de níquel cadmio e li-ion.

(Foto: Guillermo Roia)

As baterías de ion litio non teñen efectos de memoria. Por tanto, non é necesario actuar como coas baterías de níquel. Pero os usuarios estamos afeitos a iso e actuamos igual cos de litio. Con todo, a ausencia de efectos de memoria non significa que as baterías de litio non se estraguen. Co tempo, o litio introdúcese fisicamente no cátodo, xa que ao recibir o electrón toma o volume, o que rompe a estrutura do cátodo. Prodúcese un craking, é dicir, rotura das grandes moléculas do cátodo. Co tempo, o cátodo non conduce electricidade.