Las baterías proporcionaron la principal fuente de electricidad antes del desarrollo de generadores eléctricos y redes eléctricas a finales del siglo XIX. Las sucesivas mejoras en la tecnología de las baterías facilitaron importantes avances eléctricos, desde los primeros estudios científicos hasta el auge de los telégrafos y los teléfonos , lo que finalmente condujo a las computadoras portátiles , los teléfonos móviles , los automóviles eléctricos y muchos otros dispositivos eléctricos.
Estudiantes e ingenieros desarrollaron varios tipos de baterías comercialmente importantes. Las "celdas húmedas" eran contenedores abiertos que contenían electrolitos líquidos y electrodos metálicos . Cuando los electrodos se consumieron por completo, se renovó la celda húmeda reemplazando los electrodos y el electrolito. Los contenedores abiertos no son aptos para uso móvil o portátil. Las células húmedas se utilizaron comercialmente en los sistemas telefónicos y de telégrafo. Los primeros coches eléctricos utilizaban células húmedas semiselladas.
Una clasificación importante de las baterías es según su ciclo de vida. Las baterías "primarias" pueden producir corriente una vez ensambladas, pero una vez que se consumen los elementos activos, no pueden recargarse eléctricamente. El desarrollo de la batería de plomo-ácido y los tipos "secundarios" o "recargables" posteriores permitieron restaurar la energía en la celda, extendiendo la vida útil de las celdas ensambladas permanentemente. La introducción de baterías de níquel y litio en la segunda mitad del siglo XX hizo posible el desarrollo de innumerables dispositivos electrónicos portátiles, desde potentes linternas hasta teléfonos móviles. Las baterías estacionarias de gran tamaño encuentran algunas aplicaciones en el almacenamiento de energía de la red , ayudando a estabilizar las redes de distribución de energía eléctrica.
Desde mediados del siglo XVIII, antes de que existieran las baterías, los experimentadores utilizaban frascos de Leyden para almacenar carga eléctrica. Como forma temprana de condensador , las jarras de Leyden, a diferencia de las celdas electroquímicas, almacenaban su carga físicamente y la liberaban toda a la vez. Muchos experimentadores empezaron a conectar varios frascos de Leyden para crear una carga más fuerte y uno de ellos, el inventor colonial estadounidense Benjamín Franklin , puede haber sido el primero en llamar a su agrupación "batería eléctrica" , un juego de palabras con el término militar para designar el funcionamiento de las armas. juntos. [1] [2]
Basándose en algunos hallazgos de Luigi Galvani , Alessandro Volta , un amigo y colega científico, creía que los fenómenos eléctricos observados eran causados por dos metales diferentes unidos por un intermediario húmedo. Verificó esta hipótesis a través de experimentos y publicó los resultados en 1791. En 1800, Volta inventó la primera batería verdadera, que almacenaba y liberaba una carga mediante una reacción química en lugar de físicamente, lo que llegó a conocerse como pila voltaica . La pila voltaica estaba formada por pares de discos de cobre y zinc apilados uno encima del otro, separados por una capa de tela o cartón empapado en salmuera (es decir, el electrolito ). A diferencia de la jarra de Leyden , la pila voltaica producía electricidad continua y corriente estable, y perdía poca carga con el tiempo cuando no estaba en uso, aunque sus primeros modelos no podían producir un voltaje lo suficientemente fuerte como para producir chispas. [3] Experimentó con varios metales y descubrió que el zinc y la plata daban los mejores resultados.
Volta creía que la corriente era el resultado del simple contacto de dos materiales diferentes (una teoría científica obsoleta conocida como tensión de contacto ) y no el resultado de reacciones químicas. Como consecuencia, consideró la corrosión de las placas de zinc como un defecto no relacionado que tal vez podría solucionarse cambiando los materiales de alguna manera. Sin embargo, ningún científico logró jamás prevenir esta corrosión. De hecho, se observó que la corrosión era más rápida cuando se consumía una corriente más alta. Esto sugirió que la corrosión era en realidad parte integral de la capacidad de la batería para producir corriente. Esto, en parte, llevó al rechazo de la teoría de la tensión de contacto de Volta en favor de la teoría electroquímica. Las ilustraciones de Volta de su Corona de Copas y su pila voltaica tienen discos de metal adicionales, que ahora se sabe que son innecesarios, tanto en la parte superior como en la inferior. La figura asociada a esta sección, del pilote voltaico de zinc-cobre, tiene un diseño moderno, una indicación de que la "tensión de contacto" no es la fuente de fuerza electromotriz del pilote voltaico.
Los modelos de pila originales de Volta tenían algunos defectos técnicos, uno de ellos relacionado con la fuga de electrolito y provocando cortocircuitos debido al peso de los discos que comprimían la tela empapada en salmuera. Un escocés llamado William Cruickshank resolvió este problema colocando los elementos en una caja en lugar de apilarlos. Esta se conocía como batería de artesa . [4] El propio Volta inventó una variante que consistía en una cadena de vasos llenos de una solución salina, unidos entre sí por arcos metálicos sumergidos en el líquido. Esto se conoció como la Corona de Copas. Estos arcos estaban hechos de dos metales diferentes (por ejemplo, zinc y cobre) soldados entre sí. Este modelo también demostró ser más eficiente que sus pilotes originales, [5] aunque no resultó tan popular.
Otro problema con las baterías de Volta era su corta duración (en el mejor de los casos, una hora), causada por dos fenómenos. La primera fue que la corriente producida electrolizó la solución electrolítica, lo que provocó que se formara una película de burbujas de hidrógeno sobre el cobre , lo que aumentaba constantemente la resistencia interna de la batería (este efecto, llamado polarización , se contrarresta en las celdas modernas con medidas adicionales). El otro era un fenómeno llamado acción local , en el que se formaban pequeños cortocircuitos alrededor de las impurezas del zinc, lo que provocaba que el zinc se degradara. Este último problema fue resuelto en 1835 por el inventor inglés William Sturgeon , quien descubrió que el zinc amalgamado, cuya superficie había sido tratada con algo de mercurio , no sufría la acción local. [6]
A pesar de sus defectos, las baterías de Volta proporcionan una corriente más constante que las jarras de Leyden e hicieron posibles muchos experimentos y descubrimientos nuevos, como la primera electrólisis del agua realizada por el cirujano inglés Anthony Carlisle y el químico inglés William Nicholson .
Un profesor de química inglés llamado John Frederic Daniell encontró una manera de resolver el problema de las burbujas de hidrógeno en la Pila Voltaica utilizando un segundo electrolito para consumir el hidrógeno producido por el primero. En 1836 inventó la celda Daniell , que consiste en una olla de cobre llena de una solución de sulfato de cobre , en la que se sumerge un recipiente de barro sin vidriar lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc. La barrera de barro es porosa, lo que permite el paso de los iones pero evita que las soluciones se mezclen.
La celda Daniell supuso una gran mejora con respecto a la tecnología existente utilizada en los primeros días del desarrollo de las baterías y fue la primera fuente práctica de electricidad. Proporciona una corriente más larga y confiable que la celda voltaica. También es más seguro y menos corrosivo. Tiene un voltaje de funcionamiento de aproximadamente 1,1 voltios. Pronto se convirtió en el estándar de uso de la industria, especialmente con las nuevas redes telegráficas .
La celda de Daniell también se utilizó como primer estándar de trabajo para la definición del voltio , que es la unidad de fuerza electromotriz . [7]
Una versión de la célula de Daniell fue inventada en 1837 por el médico Golding Bird del Guy's Hospital , que utilizó una barrera de yeso de París para mantener las soluciones separadas. Los experimentos de Bird con esta celda fueron de cierta importancia para la nueva disciplina de la electrometalurgia .
La versión de vasija porosa de la celda Daniell fue inventada por John Dancer , un fabricante de instrumentos de Liverpool, en 1838. Consiste en un ánodo de zinc central sumergido en una vasija de barro porosa que contiene una solución de sulfato de zinc . El recipiente poroso se sumerge, a su vez, en una solución de sulfato de cobre contenida en una lata de cobre, que actúa como cátodo de la celda . El uso de una barrera porosa permite el paso de los iones pero evita que las soluciones se mezclen.
En la década de 1860, un francés llamado Callaud inventó una variante de la celda de Daniell llamada celda de gravedad . Esta versión más sencilla prescindió de la barrera porosa. Esto reduce la resistencia interna del sistema y, por lo tanto, la batería produce una corriente más fuerte. Rápidamente se convirtió en la batería elegida por las redes telegráficas estadounidenses y británicas, y fue ampliamente utilizada hasta la década de 1950.
La celda de gravedad consta de un recipiente de vidrio, en el que se encuentra un cátodo de cobre en el fondo y un ánodo de zinc suspendido debajo del borde. Se esparcen cristales de sulfato de cobre alrededor del cátodo y luego se llena el frasco con agua destilada. A medida que pasa la corriente, se forma una capa de solución de sulfato de zinc en la parte superior alrededor del ánodo. Esta capa superior se mantiene separada de la capa inferior de sulfato de cobre por su menor densidad y por la polaridad de la celda.
La capa de sulfato de zinc es clara en contraste con la capa de sulfato de cobre de color azul intenso, lo que permite al técnico medir la duración de la batería de un vistazo. Por otro lado, esta configuración significa que la batería sólo se puede utilizar en un aparato estacionario, o las soluciones se mezclan o se derraman. Otra desventaja es que se debe extraer corriente continuamente para evitar que las dos soluciones se mezclen por difusión, por lo que no es adecuado para uso intermitente.
El científico alemán Johann Christian Poggendorff superó los problemas de separación del electrolito y el despolarizador utilizando una vasija de barro porosa en 1842. En la celda de Poggendorff , a veces llamada celda Grenet debido a los trabajos de Eugene Grenet alrededor de 1859, el electrolito es ácido sulfúrico diluido y el despolarizante es el ácido crómico. Los dos ácidos se mezclan físicamente, eliminando la olla porosa. El electrodo positivo (cátodo) son dos placas de carbono, con una placa de zinc (negativa o ánodo) colocada entre ellas. Debido a la tendencia de la mezcla de ácidos a reaccionar con el zinc, se proporciona un mecanismo para elevar el electrodo de zinc libre de ácidos.
La celda proporciona 1,9 voltios. Fue popular entre los experimentadores durante muchos años debido a su voltaje relativamente alto; mayor capacidad para producir una corriente constante y falta de humos, pero la relativa fragilidad de su delgada carcasa de vidrio y la necesidad de tener que levantar la placa de zinc cuando la celda no está en uso eventualmente lo hicieron caer en desgracia. La célula también se conocía como "célula de ácido crómico", pero principalmente como "célula de bicromato". Este último nombre proviene de la práctica de producir ácido crómico agregando ácido sulfúrico al dicromato de potasio, aunque la celda en sí no contiene dicromato.
La célula de Fuller se desarrolló a partir de la célula de Poggendorff. Aunque la química es básicamente la misma, los dos ácidos se separan nuevamente mediante un recipiente poroso y el zinc se trata con mercurio para formar una amalgama .
El galés William Robert Grove inventó la celda Grove en 1839. Consiste en un ánodo de zinc sumergido en ácido sulfúrico y un cátodo de platino sumergido en ácido nítrico , separados por loza porosa. La celda de Grove proporciona una corriente alta y casi el doble de voltaje que la celda de Daniell, lo que la convirtió durante un tiempo en la celda favorita de las redes telegráficas estadounidenses. Sin embargo, cuando se utiliza, desprende vapores venenosos de óxido nítrico . El voltaje también cae bruscamente a medida que disminuye la carga, lo que se convirtió en un problema a medida que las redes telegráficas se volvieron más complejas. El platino era y sigue siendo muy caro.
Alfred Dun 1885, ácido nitromuriático ( aqua regis ) – hierro y carbono:
En el nuevo elemento se pueden utilizar ventajosamente como líquido excitante en el primer caso aquellas soluciones que en estado concentrado tienen un gran poder despolarizante, que efectúan químicamente toda la despolarización sin necesidad del recurso mecánico de aumentar la superficie de carbono. Se prefiere utilizar hierro como electrodo positivo y como líquido excitante ácido nitromuriático ( aqua regis ), cuya mezcla está compuesta de ácidos muriático y nítrico. El ácido nitromuriático, como se explicó anteriormente, sirve para llenar ambas células. Para las pilas de carbono se utiliza fuerte o muy ligeramente diluido, pero para las demás pilas muy diluido (aproximadamente una vigésima parte o como máximo una décima parte). El elemento que contiene en una celda carbono y ácido nitromuriático concentrado y en la otra celda hierro y ácido nitromuriático diluido permanece constante durante al menos veinte horas cuando se utiliza para iluminación eléctrica incandescente. [8]
Hasta este punto, todas las baterías existentes se agotarían permanentemente cuando se agotaran todos sus reactivos químicos. En 1859, Gaston Planté inventó la batería de plomo-ácido , la primera batería que podía recargarse pasando una corriente inversa a través de ella. Una celda de plomo-ácido consta de un ánodo de plomo y un cátodo de dióxido de plomo sumergidos en ácido sulfúrico. Ambos electrodos reaccionan con el ácido para producir sulfato de plomo , pero la reacción en el ánodo de plomo libera electrones mientras que la reacción en el dióxido de plomo los consume, produciendo así una corriente. Estas reacciones químicas se pueden revertir pasando una corriente inversa a través de la batería, recargándola así.
El primer modelo de Planté constaba de dos láminas de plomo separadas por tiras de goma y enrolladas en espiral. [9] Sus baterías se utilizaron por primera vez para encender las luces en los vagones de tren mientras estaba detenido en una estación. [ cita necesaria ] En 1881, Camille Alphonse Faure inventó una versión mejorada que consiste en una rejilla de plomo en la que se presiona una pasta de óxido de plomo, formando una placa. Se pueden apilar varias placas para un mayor rendimiento. Este diseño es más fácil de producir en masa.
En comparación con otras baterías, la de Planté es bastante pesada y voluminosa para la cantidad de energía que puede contener. Sin embargo, puede producir corrientes notablemente grandes en caso de sobretensiones, porque tiene una resistencia interna muy baja, lo que significa que una sola batería puede usarse para alimentar múltiples circuitos. [6]
La batería de plomo-ácido todavía se utiliza hoy en día en automóviles y otras aplicaciones donde el peso no es un factor importante. El principio básico no ha cambiado desde 1859. A principios de la década de 1930, en la batería LT de las radios portátiles de tubo de vacío se utilizaba un electrolito en gel (en lugar de un líquido) producido añadiendo sílice a una celda cargada . En la década de 1970, se hicieron comunes las versiones "selladas" (comúnmente conocidas como " celda de gel " o " SLA "), que permitían utilizar la batería en diferentes posiciones sin fallas ni fugas.
Hoy en día las células se clasifican como "primarias" si producen una corriente sólo hasta que se agotan sus reactivos químicos , y "secundarias" si las reacciones químicas pueden revertirse recargando la celda. La celda de plomo-ácido fue la primera celda "secundaria".
En 1866, Georges Leclanché inventó una batería que constaba de un ánodo de zinc y un cátodo de dióxido de manganeso envueltos en un material poroso, sumergidos en un frasco de solución de cloruro de amonio . El cátodo de dióxido de manganeso también tiene un poco de carbono mezclado, lo que mejora la conductividad y la absorción. [10] Proporcionó un voltaje de 1,4 voltios. [11] Esta célula logró un éxito muy rápido en telegrafía, señalización y timbres eléctricos.
La forma de celda seca se usó para alimentar los primeros teléfonos, generalmente desde una caja de madera adyacente colocada para colocar baterías antes de que los teléfonos pudieran obtener energía de la propia línea telefónica. La célula de Leclanché no puede proporcionar una corriente sostenida por mucho tiempo. En conversaciones largas, la batería se agotaba, haciendo que la conversación fuera inaudible. [12] Esto se debe a que ciertas reacciones químicas en la celda aumentan la resistencia interna y, por lo tanto, reducen el voltaje.
Muchos experimentadores intentaron inmovilizar el electrolito de una celda electroquímica para que su uso fuera más cómodo. La pila Zamboni de 1812 es una batería seca de alto voltaje pero capaz de suministrar sólo corrientes diminutas. Se realizaron diversos experimentos con celulosa , aserrín , vidrio hilado, fibras de amianto y gelatina . [13]
En 1886, Carl Gassner obtuvo una patente alemana [14] sobre una variante de la pila Leclanché, que pasó a ser conocida como pila seca porque no tiene electrolito líquido libre. En cambio, el cloruro de amonio se mezcla con yeso de París para crear una pasta, a la que se añade una pequeña cantidad de cloruro de zinc para prolongar la vida útil. El cátodo de dióxido de manganeso se sumerge en esta pasta y ambos se sellan en una carcasa de zinc, que también actúa como ánodo. En noviembre de 1887, obtuvo la patente estadounidense 373.064 para el mismo dispositivo.
A diferencia de las celdas húmedas anteriores, la celda seca de Gassner es más sólida, no requiere mantenimiento, no se derrama y puede usarse en cualquier orientación. Proporciona un potencial de 1,5 voltios. El primer modelo producido en masa fue la pila seca Columbia, comercializada por primera vez por la National Carbon Company en 1896. [15] La NCC mejoró el modelo de Gassner reemplazando el yeso de París por cartón enrollado , una innovación que dejó más espacio para el cátodo y hizo que la batería fuera más fácil de montar. Fue la primera batería conveniente para las masas, hizo prácticos los dispositivos eléctricos portátiles y condujo directamente a la invención de la linterna .
La batería de zinc-carbono (como se la conoció) todavía se fabrica en la actualidad.
Paralelamente, en 1887, Wilhelm Hellesen desarrolló su propio diseño de celda seca. Se ha afirmado que el diseño de Hellesen precedió al de Gassner. [dieciséis]
En 1887, Sakizō Yai (屋井 先蔵) de Japón desarrolló una batería seca , que luego se patentó en 1892. [17] [18] En 1893, la batería seca de Sakizō Yai se exhibió en la Exposición Mundial Colombina y atrajo considerable atención internacional. .
En 1899, un científico sueco llamado Waldemar Jungner inventó la batería de níquel-cadmio , una batería recargable que tiene electrodos de níquel y cadmio en una solución de hidróxido de potasio ; la primera batería en utilizar un electrolito alcalino . Se comercializó en Suecia en 1910 y llegó a Estados Unidos en 1946. Los primeros modelos eran robustos y tenían una densidad energética significativamente mejor que las baterías de plomo-ácido, pero eran mucho más caras.
Waldemar Jungner patentó una batería de níquel-hierro en 1899, el mismo año que su patente de batería de Ni-Cad, pero descubrió que era inferior a su contraparte de cadmio y, como consecuencia, nunca se molestó en desarrollarla. [19] Producía mucho más gas hidrógeno cuando se cargaba, lo que significaba que no se podía sellar y el proceso de carga era menos eficiente (sin embargo, era más barato).
Al ver una manera de obtener ganancias en el ya competitivo mercado de baterías de plomo-ácido, Thomas Edison trabajó en la década de 1890 en el desarrollo de una batería alcalina sobre la que podría obtener una patente. Edison pensó que si producía una batería ligera y duradera, los coches eléctricos se convertirían en el estándar, y su empresa sería su principal proveedor de baterías. Después de muchos experimentos, y probablemente tomando prestado el diseño de Jungner, patentó una batería alcalina de níquel-hierro en 1901. [20] Sin embargo, los clientes descubrieron que su primer modelo de batería alcalina de níquel-hierro era propenso a sufrir fugas, lo que reducía la vida útil de la batería. , y tampoco superó por mucho a la celda de plomo-ácido. Aunque Edison pudo producir un modelo más confiable y potente siete años después, para entonces el Ford Modelo T, económico y confiable , había convertido los automóviles con motor de gasolina en el estándar. Sin embargo, la batería de Edison logró un gran éxito en otras aplicaciones, como vehículos ferroviarios eléctricos y diésel-eléctricos, proporcionando energía de respaldo para señales de cruces ferroviarios o para proporcionar energía a las lámparas utilizadas en las minas. [21] [22]
Hasta finales de la década de 1950, la batería de zinc-carbono siguió siendo una batería de celda primaria popular, pero su duración relativamente baja obstaculizó las ventas. El ingeniero canadiense Lewis Urry , que trabajaba para Union Carbide , primero en la National Carbon Co. de Ontario y, en 1955, en el Laboratorio de Investigación de Parma de la National Carbon Company en Cleveland , Ohio , tuvo la tarea de encontrar una manera de prolongar la vida útil de Baterías de zinc-carbono. [23] Basándose en trabajos anteriores de Edison, Urry decidió que las pilas alcalinas eran más prometedoras. [24] Hasta entonces, las pilas alcalinas de mayor duración eran inviablemente caras. La batería de Urry consta de un cátodo de dióxido de manganeso y un ánodo de zinc en polvo con un electrolito alcalino. El uso de zinc en polvo le da al ánodo una mayor superficie. Estas baterías se comercializaron en 1959. [ cita necesaria ]
La batería de níquel-hidrógeno entró en el mercado como un subsistema de almacenamiento de energía para satélites de comunicaciones comerciales . [25] [26]
Las primeras baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH) de consumo para aplicaciones más pequeñas aparecieron en el mercado en 1989 como una variación de la batería de níquel-hidrógeno de la década de 1970 . [27] Las baterías de NiMH tienden a tener una vida útil más larga que las baterías de NiCd (y su vida útil continúa aumentando a medida que los fabricantes experimentan con nuevas aleaciones) y, dado que el cadmio es tóxico, las baterías de NiMH son menos dañinas para el medio ambiente.
El litio es el metal alcalino de menor densidad y con mayor potencial electroquímico y relación energía-peso . El bajo peso atómico y el pequeño tamaño de sus iones también aceleran su difusión, lo que probablemente lo convierta en un material ideal para baterías. [28] La experimentación con baterías de litio comenzó en 1912 bajo la dirección del químico físico estadounidense Gilbert N. Lewis , pero las baterías de litio comerciales no llegaron al mercado hasta la década de 1970 en forma de batería de iones de litio . [29] [30] Las pilas primarias de litio de tres voltios, como las del tipo CR123A y las pilas de botón de tres voltios, todavía se utilizan ampliamente, especialmente en cámaras y dispositivos muy pequeños.
En la década de 1980 se produjeron tres avances importantes en relación con las baterías de litio. En 1980, un químico estadounidense, John B. Goodenough , descubrió el cátodo de LiCoO 2 ( óxido de litio y cobalto ) (plomo positivo) y un investigador marroquí, Rachid Yazami , descubrió el ánodo de grafito (plomo negativo) con el electrolito sólido. En 1981, los químicos japoneses Tokio Yamabe y Shizukuni Yata descubrieron un nuevo PAS (poliaceno) nanocarbonoso [31] y descubrieron que era muy eficaz para el ánodo del electrolito líquido convencional. [32] [33] Esto llevó a un equipo de investigación dirigido por Akira Yoshino de Asahi Chemical , Japón, a construir el primer prototipo de batería de iones de litio en 1985, una versión recargable y más estable de la batería de litio; Sony comercializó la batería de iones de litio en 1991. [34] En 2019, John Goodenough, Stanley Whittingham y Akira Yoshino recibieron el Premio Nobel de Química por su desarrollo de baterías de iones de litio. [35]
En 1997, Sony y Asahi Kasei lanzaron la batería de polímero de litio . Estas baterías mantienen su electrolito en un compuesto de polímero sólido en lugar de en un disolvente líquido, y los electrodos y separadores están laminados entre sí. La última diferencia permite que la batería esté encerrada en una envoltura flexible en lugar de una carcasa metálica rígida, lo que significa que dichas baterías pueden tener una forma específica para adaptarse a un dispositivo en particular. Esta ventaja ha favorecido a las baterías de polímero de litio en el diseño de dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles y asistentes digitales personales , y de aviones radiocontrolados , ya que dichas baterías permiten un diseño más flexible y compacto. Generalmente tienen una densidad de energía menor que las baterías de iones de litio normales.
Los altos costos y las preocupaciones sobre la extracción de minerales asociados con la química del litio han renovado el interés en el desarrollo de baterías de iones de sodio , con lanzamientos tempranos de productos para vehículos eléctricos en 2023. [36]