Por qué las baterías vienen en tantos tamaños y formas
Si últimamente has mirado en tu cajón de servicios públicos, es posible que hayas notado las diversas formas, tamaños y tipos de baterías que alimentan tus dispositivos electrónicos. En primer lugar, están las pilas de botón redondas y no recargables para relojes y objetos pequeños. También están las populares pilas cilíndricas AA y AAA para calculadoras, relojes y controles remotos. Luego tienes las baterías recargables de iones de litio en tus portátiles y teléfonos. Y no se olvide de la batería de plomo-ácido de su automóvil.
Para comprender por qué las baterías vienen en diferentes tamaños y formas (y sirven para muchos 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 el científico italiano Alessandro Volta creaban una corriente eléctrica. La primera batería de plomo-ácido se fabricó con unos pocos trozos de plomo en un frasco de ácido sulfúrico. 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 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 las personas y las piezas del automóvil de cualquier posible daño. Sabiendo todo esto, tiene sentido que las baterías de plomo-ácido modernas sean bloqueadas y pesadas.
Baterias alkalinas
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 preferirían no hacer.
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 tuvieron sus trampas. 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.
La empresa fabricaba células 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. Era natural reutilizar este equipo 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 de “rollo de gelatina”.
La gruesa carcasa de estas celdas cilíndricas es mecánicamente resistente y, para agregar 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.
Factores que dan forma a las baterías
Las baterías se fabrican en ciertos tamaños y formas por razones de costo y capacidad de fabricación, pero en otros casos 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 costo 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: qué tan fácil es fabricar cada tipo de celda, cuánto cuesta fabricarlas y para qué se utilizan. para. Y esos factores son una mezcla de innovación e historia.
El Dr. Wes Chang es profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica** en la Universidad de Drexel.**
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