Innovación tecnológica

¿Estará el santo grial de la electrónica hecho de vidrio?

Todo dispositivo electrónico necesita electricidad, y en estos tiempos de tanta movilidad, estar atado a un enchufe no es una opción. Por lo tanto, tener una buena batería que permita a nuestros dispositivos estar en constante funcionamiento es el santo grial de la electrónica actual. Desde los fabricantes de procesadores a los de teléfonos móviles o los de automóviles, todos se han lanzado a por este objetivo. ¿Nos acercan los últimos descubrimientos a un nuevo gran adelanto tecnológico?

Autor: Marcin Bójko

En teoría, el principio básico para el funcionamiento de las celdas galvánicas es simple. Tenemos dos electrodos sumergidos en un electrolito. Como resultado de una serie de reacciones químicas entre los electrodos y el electrolito, aparece una diferencia en sus potencias, gracias a la cual se libera electricidad. Si la reacción química es reversible (p. ej., liberando la corriente en la dirección opuesta podemos invertir la reacción y restaurar el estado inicial de la batería) estamos hablando de la denominada celda secundaria, que es la batería.

Los electrodos y el electrolito pueden estar compuestos por materiales diversos. Durante muchos años los materiales más habituales eran el plomo y el óxido de plomo, así como el ácido sulfúrico. Estas son el tipo de baterías que encontramos en cualquier automóvil. Las baterías clásicas basadas en plomo tiene múltiples ventajas: pueden cargarse y descargarse con corriente alta, tienen una elevada durabilidad y son fáciles de utilizar y, al mismo tiempo, los materiales de producción son baratos y no requieren de dispositivos de carga sofisticados. De hecho, su mayor desventaja es que son muy pesadas, lo cual impide utilizarlas en dispositivos móviles o en aviación, aunque hasta el momento se han empleado con bastante éxito en submarinos, donde el peso no es tanto problema.

Debido a las desventajas de las baterías de plomo, los científicos comenzaron a desarrollar nuevos métodos para almacenar electricidad en baterías, lo que llevó a la evolución de baterías de níquel cadmio y, posteriormente, de níquel-metal hidruro. Una desventaja significativa de estas baterías es el denominado efecto memoria, o el efecto de batería perezosa. Este efecto provoca algo parecido a la pérdida de capacidad de la batería (lo que sucede en realidad es una caída de voltaje considerable, identificada por el sistema como indicativo de que la batería está completamente vacía). El efecto de batería perezosa a su vez es la caída del índice de voltaje de la batería debido a una descarga incompleta. Ambos problemas se pueden solucionar con un cargador especializado. Este tipo de baterías deben descargarse por completo, especialmente en sus primeros ciclos de carga y descarga. Este proceso se denomina “formación”, por el que todavía hoy día algunos usuarios de teléfonos móviles modernos siguen descargando la batería por completo antes de recargarla, sin saber que este procedimiento en realidad daña las baterías de ión de litio o de polímero de litio que han sustituido a las baterías de níquel para bastantes aplicaciones.

Un equipo de ingenieros dirigido por John Goodenough, profesor de Cockrell School of Engineering, ha desarrollado una innovadora tecnología para baterías. (Imagen de la Universidad de Texas).

Las baterías de ión de litio y de polímero de litio ofrecen una mayor densidad energética. Es posible obtener mas kilovatios-hora por kilo y litro de batería que con las de níquel, y por supuesto que las de plomo. Esto es una ventaja innegable. Sin embargo, un fallo innegable también es su necesidad de complejos sistemas de carga, así como una alta vulnerabilidad a la descarga excesiva y, lo peor de todo, la posibilidad de que ocurran cortocircuitos internos, lo que genera sobrecalentamiento y, en casos extremos, hasta la explosión. Casos como los del sobrecalentamiento y la emisión de humo de las baterías de un Boeing 787, o los de teléfonos móviles que arden solos, son los más conocidos y que le han dado mala reputación a las baterías basadas en componentes de litio.

Durante mucho tiempo, los ingenieros han estado buscando nuevas soluciones a los problemas y a los fallos de las baterías de litio, al tiempo que intentaban incrementar su capacidad y velocidad de carga. Una de esas ideas fue presentada hace poco en la revista científica “Energy & Environmental Science” por un equipo dirigido por el profesor John Goodenough de Cockrell School of Engineering de la Universidad de Texas en Austin. Este científico de 94 años posee buenas credenciales: en 1980 inventó el material que se actualmente se utiliza en los cátodos de baterías de ión de litio. Ahora, su equipo ha desarrollado una innovadora tecnología para la construcción de celdas eléctricas basadas en un electrolito sólido y amorfo, denominado algunas veces como el “electrolito de vidrio”. Cabe destacar que el proyecto del equipo de Goodenough ha sido implementado por María Helena Braga, de la Universidad de Oporto, en Portugal. Goodenough sugirió la mejor forma de beneficiarse de las propiedades del electrolito sólido, lo que a su vez se convirtió en el prototipo y la patente. Las propiedades del prototipo parecen prometedoras: tienen tres veces más capacidad que una batería de ión de litio del mismo tamaño. También aporta un aumento significativo de la velocidad de carga, es capaz de trabajar a temperaturas de -20 grados centígrados y, en la fase de prueba, fue sometida a 1.200 ciclos de carga y descarga sin que sufriera cambio alguno en su capacidad, lo que nos hace suponer que será una batería de larga duración.

El innovador estudio del equipo del profesor John Goodenough fue liderado por María Helena Braga de la Universidad de Oporto. (Imagen de la Universidad de Texas).

El electrolito sólido tiene numerosas ventajas. Para comenzar, el fenómeno de disociación metálica del electrodo, que en las baterías de litio desembocó en la creación de las denominadas dendritas (puentes de metal que pueden provocar cortocircuitos que ocasionan que se autoinflame la batería) ya no suceden. En segundo lugar, tienen mucha durabilidad mecánica: las baterías de ión de litio o de polímero de litio pueden arder debido a la fuerza de un fuerte impacto (cosa que muchos modeladores han sufrido tras un aterrizaje de avión o helicóptero especialmente fuerte). Por último, esto permite aplicar un metal alcalino, que puede ser litio o sodio en electrodos, lo que mejora radicalmente las propiedades de las baterías eléctricas.

En el caso de las baterías de ión de litio, el prototipo listo para la producción en serie fue presentado en 1985 y la primera celda producida en serie llegó al mercado en 1991. Sin embargo, las necesidades del mercado han crecido exponencialmente desde entonces, así como la presión para obtener una rápida implementación de innovaciones.

Para los consumidores, el estudio realizado en la Cockrell School of Engineering significa una cosa: podemos esperar mejores baterías en todos los dispositivos móviles, así como mejor alcance y menor tiempo de carga para los coches eléctricos.

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