Si últimamente
has mirado en tus cajones, seguro que has notado las diversas formas,
tamaños y tipos de pilas (baterías) que alimentan tus dispositivos
electrónicos. En primer lugar, están las pilas de botón redondas y no
recargables para relojes y aparatos pequeños. Las más frecuentes son las pilas
cilíndricas AA y AAA para calculadoras, relojes y mandos distancia. Luego
tienes las baterías recargables de iones de litio en los teléfonos. Y no te
olvides de la batería de plomo-ácido de tu vehículo.
Para comprender por qué las baterías vienen en diferentes tamaños y formas (y sirven para distintos propósitos) hay que mirar al pasado, a cómo se originaron y cómo se han desarrollado a lo largo de los años.
Las primeras baterías se fabricaron en el siglo XIX y eran bastante simples. Una de las primeras demostraciones fue una serie de discos de metal empapados en salmuera, que según descubrió en 1800 el científico italiano Alessandro Volta, creaban una corriente eléctrica pequeña pero constante. Su "pila voltaica", similar a la réplica de la fotografía de la izquierda, funcionaba colocando trozos de tela empapados en agua salada entre pares de discos de zinc y cobre. El contacto entre los dos metales crea una diferencia de potencial (o presión, o "voltaje"), que en un circuito cerrado produce corriente eléctrica. Los pilotes voltaicos marcan el origen de las baterías modernas. Napoleón lo recompensó nombrándole conde.
Seis décadas
después, con unos pocos trozos de plomo metidos en un frasco de
ácido sulfúrico el físico francés Gaston Planté inventó la
primera batería recargable de plomo-ácido. No fue nombrado conde por la hazaña,
pero dejó un legado duradero en la historia de las baterías: simplemente abre
el capó de tu automóvil.
El diseño de
Planté contenía dos electrodos, un ánodo (electrodo negativo) de plomo y un
cátodo (electrodo positivo) de dióxido de plomo, separados por una tira de
goma. Los electrones perdidos por el ánodo gracias a la oxidación eran conducidos al cátodo por un electrolito de ácido sulfúrico. A partir de ahí,
los electrones y la carga que los acompaña podrían transferirse externamente a
un dispositivo que consume electricidad, como una bombilla.
Las versiones
modernas no son tan diferentes. Simplemente son más fáciles de fabricar y
contienen varios aditivos para mejorar el rendimiento. En todos los casos, las
baterías funcionan de la misma manera: una diferencia de voltaje entre dos
electrodos diferentes produce una corriente eléctrica, que puede descargarse
para alimentar un dispositivo. Las baterías recargables pueden luego invertir esta
corriente para volver a cargarse. En el interior de la batería, la corriente
eléctrica va acompañada del flujo de iones a través de un líquido, el
electrolito.
El paso de
cada electrón en la corriente va acompañado del transporte de un ion a través
del electrolito. Los electrodos que pueden almacenar más iones dan como
resultado baterías que pueden retener más carga y, por lo tanto, duran más con
una sola carga. Los electrodos diseñados para un almacenamiento de iones más
rápido dan como resultado baterías que pueden descargarse más rápido para
aplicaciones de alta potencia. Por último, poder cargar y descargar muchas
veces sin degradarse da lugar a las baterías con una larga vida útil.
Baterías de
plomo-ácido
La batería de
plomo-ácido fue la primera batería recargable inventada en 1859 por Gaston Plante quien experimentó con placas de
plomo en una solución ácida y descubrió que el flujo y almacenamiento de la
corriente eléctrica se podía invertir.
Una batería de
plomo-ácido debe ser lo suficientemente grande como para proporcionar carga
suficiente para arrancar un automóvil. También tiene que ser utilizable en
climas fríos y durar muchos años. Dado que el electrolito es un ácido
corrosivo, la carcasa externa debe ser resistente para proteger a los usuarios
y las piezas del automóvil de cualquier posible daño. Sabiendo todo esto, tiene
sentido que las baterías de plomo-ácido modernas sean estancas, casi acorazadas
y pesadas.
Baterias alcalinas
Por otro lado,
los dispositivos domésticos como calculadoras y básculas digitales pueden
permitirse el lujo de utilizar baterías más pequeñas porque no requieren mucha
carga. Se trata principalmente de pilas alcalinas no recargables que se
utilizan desde hace décadas. Los tamaños de celda estandarizados son AAAA, AAA,
AA, C y D, así como pilas de botón y de moneda y muchos otros. Los tamaños
están relacionados con la cantidad de carga que almacenan (cuanto más grande es
la batería, más capacidad tiene) y los tamaños de los dispositivos que
alimentan.
A veces,
puedes encontrar pilas alcalinas que se venden en formas rectangulares, como
las pilas comunes de 9 voltios, pero abre la carcasa exterior y
descubrirás que son simplemente unas pocas celdas cilíndricas conectadas entre
sí en el interior. Las baterías cilíndricas existen desde hace tanto tiempo y
se utilizan tan ampliamente que simplemente no tiene sentido que las empresas
fabriquen algo diferente: requeriría una inversión para cambiar sus
instalaciones de fabricación, algo que no les conviene en absoluto.
Baterías de
iones de litio
Las baterías
de níquel-cadmio fueron las primeras baterías recargables ampliamente
utilizadas para aparatos electrónicos domésticos y fueron populares hasta
finales del siglo XX. Pero tenían sus peligros. El cadmio es muy tóxico y las
baterías sufrían un “efecto memoria”, que disminuía su vida útil.
Durante muchas
décadas, se estudió el uso potencial del litio en baterías recargables debido a
sus propiedades únicas como metal liviano que almacena mucha energía.
Sony comercializó por primera vez la batería de iones
de litio en 1991.
Sony fabricó pilas cilíndricas porque eran las más fáciles de fabricar. En la
década de 1990, Sony fabricaba muchas videocámaras y cintas y, por lo tanto,
tenía muchos equipos para la fabricación rollo a rollo. Lo lógico era reutilizar esos equipos para
producir rollos de electrodos de batería, que se fabrican fundiendo películas
sobre láminas de cobre o aluminio y luego enrollándolas hasta formar un
cilindro parecido a esos pasteles conocidos como “brazos de gitano”.
La gruesa
carcasa de estas pilas cilíndricas es mecánicamente resistente y, para añadir
otra capa de seguridad, tienen una válvula de alivio de presión. Muy
rápidamente, estas primeras celdas de iones de litio se apoderaron del mercado
de la electrónica portátil, especialmente para computadoras portátiles y
teléfonos celulares, porque almacenaban más energía y duraban más que las
baterías recargables de níquel-cadmio.
¿A qué se
deben las diferentes formas?
Las pilas se fabrican en ciertos tamaños y formas por razones de coste y capacidad de fabricación, aunque en otros casos, como las pilas de Sony, debido a procesos de fabricación heredados. La demanda del mercado también influye.
Por ejemplo,
los vehículos eléctricos no despegaron hasta que Tesla comenzó a fabricar
automóviles utilizando celdas de batería cilíndricas de iones de litio en lugar
de la bolsa rectangular o las celdas prismáticas que han utilizado otros
fabricantes de vehículos eléctricos. Las celdas de bolsa y prismáticas se
pueden empaquetar muy juntas, pero debido a que las celdas cilíndricas ya se producían en masa para dispositivos electrónicos portátiles,
Tesla pudo fabricar vehículos eléctricos de menor coste en la década de 2010.
Las formas y
tamaños que adoptarán las baterías en el futuro dependen no sólo de la cantidad
de energía que almacenen, sino también de la economía del mercado: cómo resulta
de fácil fabricar cada tipo de pila, cuánto cuesta fabricarlas y para qué se
utilizan. Esos factores son una mezcla de innovación y herencia.