Si ha buscado en su cajón de servicios públicos últimamente, es posible que haya notado las diversas formas, tamaños y tipos de baterías que alimentan sus dispositivos electrónicos. Primero, están las celdas redondas y no recargables para sus relojes y artículos pequeños. También están las populares baterías cilíndricas AA y AAA para calculadoras, relojes y controles remotos. Luego tiene las baterías recargables de iones de litio en sus computadoras portátiles y teléfonos. Y no se olvide de la batería de plomo-ácido en su automóvil.
Las primeras baterías se hicieron en el siglo XIX, y fueron bastante simples. Una de las primeras manifestaciones fue una serie de discos de metal empapados en salmuera, que el científico italiano Alessandro Volta descubrió que creó una corriente eléctrica. La primera batería de plomo-ácido estaba hecha de unas pocas piezas de plomo en un frasco de ácido sulfúrico. Las versiones modernas no son tan diferentes. 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 se puede descargar para alimentar un dispositivo. Las baterías recargables pueden revertir esta corriente para volver a cargar. Dentro de la batería, la corriente eléctrica está acompañada por el flujo de iones a través de un líquido, el electrolito.
El paso de cada electrón en la corriente está acompañado por el transporte de un ion a través del electrolito. Los electrodos que pueden almacenar más iones conducen a baterías que pueden contener más carga y, por lo tanto, duran más con una sola carga. Los electrodos diseñados para almacenamiento de iones más rápido conducen a baterías que pueden descargar más rápido, para aplicaciones de alta potencia. Por último, poder cargar y descargar muchas veces sin degradar conduce a baterías con largas vidas.
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 el almacenamiento de la corriente eléctrica podían revertirse.
Una batería de plomo-ácido debe ser lo suficientemente grande como para proporcionar suficiente carga para iniciar un automóvil. También tiene que ser utilizable en climas fríos y duran muchos años. Dado que el electrolito es un ácido corrosivo, la carcasa externa debe ser difícil de proteger a las personas y las partes del automóvil de cualquier posible daño. Sabiendo todo esto, tiene sentido que las baterías modernas de plomo-ácido sean bloqueadas y pesadas.
Baterías alcalinas
Por otro lado, los dispositivos domésticos como calculadoras y escalas digitales pueden permitirse usar baterías más pequeñas porque no requieren mucha carga. Estas son principalmente baterías alcalinas no recargables que se han utilizado durante décadas. Los tamaños de células estandarizados son AAAA, AAA, AA, C y D, así como células de botones y monedas y muchas otras. Los tamaños están relacionados con la cantidad de carga que almacenan, cuanto más grande es la batería, más contiene, y los tamaños de los dispositivos que alimentan.
A veces, puede encontrar baterías alcalinas vendidas en formas rectangulares, como las baterías de voltio 9- comunes, pero abra la carcasa externa y encontrará que son simplemente algunas celdas cilíndricas conectadas adentro. Las baterías cilíndricas han existido tanto tiempo y se usaron tan ampliamente que no tiene sentido que las empresas fabriquen algo diferente: requeriría una inversión para cambiar sus instalaciones de fabricación, algo que prefieren no hacer.
Baterías de iones de litio
Las baterías de níquel-cadmio fueron las primeras baterías recargables ampliamente utilizadas para la electrónica doméstica y fueron populares a fines del siglo XX. Pero tenían sus trampas. El cadmio es muy tóxico, y las baterías sufrieron un "efecto de memoria", que disminuyó su vida.
Durante muchas décadas, el litio se estudió para su uso potencial en baterías recargables debido a sus propiedades únicas como un metal liviano que almacena mucha energía. Sony comercializó por primera vez la batería de iones de litio en 1991.
La compañía hizo células cilíndricas porque estas eran las más fáciles de fabricar. En la década de 1990, Sony estaba haciendo muchas videocámaras y cintas, y por lo tanto tenía muchos equipos para la fabricación de rol por rollo. Era natural reutilizar este equipo para producir rollos de electrodos de batería, que se realizan lanzando películas en láminas de cobre o aluminio y luego enrollándolos en un cilindro de "rollo de gelatina".
La carcasa gruesa de estas células cilíndricas es mecánicamente fuerte, y para agregar otra capa de seguridad tiene una válvula de alivio de presión. Muy rápidamente, estas primeras células de iones de litio se hicieron cargo del mercado electrónica portátil, especialmente para computadoras portátiles y teléfonos celulares, porque almacenaban más energía y duraron más que las baterías recargables de níquel-cadmio.
Factores que dan forma a las baterías
Las baterías se realizan en ciertos tamaños y formas por razones de costo y capacidad de fabricación, pero en otros casos debido a los procesos de fabricación heredados. La demanda del mercado también juega un papel.
Por ejemplo, los vehículos eléctricos no despegan hasta que Tesla comenzó a hacer automóviles con celdas de batería de iones de litio cilíndricas en lugar de la bolsa rectangular o las células prismáticas que otros fabricantes de EV han usado. Las células de bolsa y prismática se pueden empacar de cerca, pero debido a que las células cilíndricas ya estaban producidas en masa para la electrónica portátil, Tesla pudo hacer EV de menor costo en la década de 2010.
Lo que las formas y las baterías de los tamaños tomarán en el futuro depende no solo de cuánta energía almacenan, sino también de la economía de mercado: qué tan fácil es hacer cada tipo de celda, cuánto cuesta hacerlos y para qué se usan. Y esos factores son una combinación de innovación e historia.