Las baterías son la columna vertebral de todos los dispositivos electrónicos. Se han convertido en una parte esencial de nuestra vida diaria, ya que se utilizan con frecuencia en una amplia gama de dispositivos, desde juguetes hasta teléfonos móviles, cámaras, ordenadores portátiles, vehículos eléctricos, dispositivos médicos y relojes inteligentes.
En pocas palabras, ni siquiera podemos imaginar nuestra vida sin baterías. Una gama de baterías está disponible en el mercado actual. Cada una viene con una química diferente, diferentes elementos, diferente garantía y diferente ciclo de vida.
Conocer la composición de la batería es importante porque le indica qué tan eficiente, segura y confiable será una batería. El precio de cada tipo de batería varía, dependiendo de factores como la capacidad, el soporte para ciclos de carga, la densidad de energía, la vida útil y la capacidad de autodescarga.
En este artículo, discutiremos qué elemento se utiliza en las baterías de diferentes tipos y en qué se diferencian entre sí. También explica por qué los elementos de la batería son importantes.
¿Qué elemento se utiliza en las baterías?
Se utilizan diferentes elementos en diferentes baterías, considerando las demandas actuales del mercado y la eficiencia de cada elemento. Los elementos de base metálica más utilizados en varias baterías incluyen Litio (Li), Cobalto (Co), Níquel (Ni), Cadmio (Cd), Plomo (Pb), Sodio (Na), Zinc (Zn), Manganeso (Mn) y más.
La disponibilidad y el costo de cada elemento son diferentes, por lo que el costo de fabricación de las baterías desarrolladas con diferentes materiales también será diferente.
Las baterías de litio a menudo necesitan un circuito de protección. Cuando el litio se usa en baterías de la manera prevista, no es peligroso para la salud humana. El principal punto a favor de usar níquel en las baterías es que ayuda a que estas entreguen una mayor capacidad de almacenamiento y una mayor densidad de energía a un costo justo. En comparación, las baterías de plomo ofrecen altas corrientes de sobretensión y ayudan a los fabricantes a mantener bajos costos.
¿De qué están hechas las baterías?
Las baterías están compuestas por tres componentes principales: ánodo, cátodo y electrolito. Cada componente tiene que realizar funciones únicas. Tanto el ánodo como el cátodo también se llaman electrodos.
El cátodo es un electrodo positivo y el ánodo es un electrodo negativo. La reducción y la oxidación ocurren en el cátodo y el ánodo, respectivamente.
Veamos de qué están compuestos el cátodo, el ánodo y el electrolito en las baterías modernas.
1. Baterías de iones de litio
El litio se utiliza como material activo principal para la fabricación tanto del cátodo como del ánodo de una batería de iones de litio. Para producir electricidad, los iones de litio fluyen a través del electrolito del ánodo al cátodo.
Por lo general, el ánodo en las baterías de iones de litio está hecho de grafito, mientras que el cátodo está hecho de fosfato de hierro y litio, óxido de cobalto y litio u otros compuestos similares. La sal de litio se utiliza principalmente como electrolito. Estas baterías son conocidas por su vida útil prolongada y su densidad de energía inigualable. Se utilizan principalmente en vehículos eléctricos, teléfonos inteligentes y otros dispositivos similares.
2. Baterías de plomo-ácido
En una batería de plomo-ácido, el dióxido de plomo constituye el cátodo, mientras que el ánodo está hecho de una esponja. Ambos electrolitos se sumergen en la solución de ácido sulfúrico, el electrolito. Estas baterías pertenecen a la familia de las baterías recargables, por lo que también se les llama baterías secundarias.
Las reacciones químicas que ocurren dentro de la batería son reversibles. Las aplicaciones más comunes de estas baterías incluyen vehículos y sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS). También son una excelente opción para sistemas de energía de respaldo.
3. Baterías de níquel-cadmio
Una batería de níquel-cadmio también se conoce como batería NiCd. En esta batería, el cátodo está hecho de oxihidróxido de níquel, y el ánodo está construido con cadmio. La solución alcalina con hidróxido de potasio sirve como electrolito.
El cadmio facilita el flujo de corriente eléctrica cuando se oxida en el ánodo. El cátodo acepta electrones, por lo que el óxido de níquel se reduce. Estas baterías son muy robustas y confiables y se utilizan principalmente en herramientas eléctricas portátiles y teléfonos inalámbricos.
Comparación de los materiales de las baterías recargables y no recargables
La siguiente tabla muestra la comparación entre los materiales de dos baterías recargables y no recargables.
| Baterías recargables | Baterías no recargables | |||
| Materiales | Li-ion | NiMH | Alcalina | Zinc-carbono |
| Cátodo | Litio | Hidróxido de níquel | Dióxido de manganeso | Dióxido de manganeso |
| Ánodo | Grafito | Hidrógeno | Polvo de zinc | Zinc |
| Electrolito | Sal de litio | Hidróxido de potasio | Hidróxido de potasio | Cloruro de zinc |
¿Por qué importan los elementos y materiales de la batería?
Las diferentes baterías están compuestas por diferentes elementos primarios y secundarios, como litio, níquel, plomo, cadmio, manganeso y más. Cada elemento posee diferentes propiedades que afectan la composición general de la batería.
Por ejemplo, el litio es el material sólido menos denso y el metal más ligero. Se utiliza como material de ánodo en baterías de litio. Debido a su alto potencial electroquímico, el litio se considera un elemento clave en las baterías recargables de iones de litio que vienen con alta densidad de energía.
El uso de plomo en las baterías las hace fiables. El plomo se sumerge en una solución de ácido sulfúrico para producir una reacción química controlada. Como resultado, se produce corriente eléctrica. Las baterías de plomo son ecológicas y cómodas de usar. De manera similar, el níquel puede ofrecer una alta densidad de energía y una gran capacidad de almacenamiento debido a su mayor energía específica. Este metal barato forma el cátodo de diferentes baterías recargables, incluidas las baterías de iones de litio.
En pocas palabras, los elementos de la batería y los materiales son lo más importante, ya que son los que realmente indican la densidad de energía, la capacidad de energía, la capacidad de autodescarga, la vida útil, la seguridad, el costo, la larga autonomía y otras características similares de una batería. Puede explorar una tremenda colección de baterías en Renogy.
Avances en materiales y tecnologías de baterías
Hemos sido testigos de continuos avances en los materiales y la tecnología de las baterías. Por ejemplo, muchos fabricantes de baterías han dejado de desarrollar baterías basadas en cadmio (como el níquel-cadmio), ya que son peligrosas para el medio ambiente y tóxicas.
De manera similar, las baterías de plomo-ácido ofrecen un ciclo de vida relativamente más corto (en su mayoría menos de 500 ciclos de carga) en comparación con otras baterías modernas.
En comparación con las baterías de níquel-cadmio y plomo-ácido, las baterías de iones de litio son mucho mejores debido a su baja capacidad de autodescarga y mayor densidad de energía. Junto con estos beneficios, existen algunos inconvenientes asociados con las baterías de iones de litio, como los riesgos de explosión, los costos más altos y la sensibilidad a las altas temperaturas.
Los investigadores están trabajando continuamente en la mejora de la tecnología y los materiales de las baterías. Las siete tecnologías modernas que tienen la capacidad de reemplazar las baterías de iones de litio en el futuro incluyen baterías de litio-azufre, baterías de grafeno, baterías de estado sólido, baterías de iones de sodio, baterías de zinc, baterías sin cobalto y baterías de hierro-aire. Veámoslas una por una.
1. Baterías de litio-azufre
Estas baterías ofrecen mayor eficiencia y alta capacidad de almacenamiento de energía para vehículos eléctricos. Además, el azufre es abundante y rentable; por lo tanto, ayuda a los fabricantes a crear soluciones de almacenamiento de energía económicas en comparación con las baterías de iones de litio. La fabricación de baterías de iones de litio y de litio-azufre sigue un proceso similar, por lo que los fabricantes pueden utilizar las mismas instalaciones.
2. Baterías de grafeno
En comparación con las baterías de iones de litio, las baterías de grafeno son más conductivas. Estas baterías admiten una carga más rápida y ofrecen ciclos de vida prolongados que sus contrapartes. Además, la estructura del grafeno es resistente, por lo que hace que la batería sea más fiable que su alternativa de iones de litio. Por lo tanto, las baterías de grafeno tienen menores riesgos de incendios y explosiones.
3. Baterías de estado sólido
Las baterías de estado sólido pueden almacenar más energía en el mismo tamaño que las baterías de iones de litio. Además, son más eficientes y ligeras. Los vehículos eléctricos pueden ser más compactos y ligeros con estas baterías instaladas. Además, las baterías de estado sólido se cargan más rápido que las baterías de iones de litio. Se cree que son más seguras y duraderas.
4. Baterías de iones de sodio
Una batería de iones de sodio es muy segura y asequible en comparación con su contraparte, la batería de iones de litio. Aunque ofrece una baja densidad de energía, funciona muy bien a bajas temperaturas en comparación con una batería de iones de litio. Los investigadores están trabajando actualmente en la mejora del tiempo de carga y la eficiencia de las baterías de iones de sodio.
5. Baterías de zinc
Los materiales utilizados en la fabricación de baterías de zinc son fácilmente accesibles, rentables y no tóxicos. Además, estas baterías pueden almacenar una gran cantidad de energía. Los científicos investigadores todavía están trabajando para solucionar algunos problemas técnicos asociados con esta tecnología de batería moderna, como el potencial de cortocircuitos. Se requiere más investigación antes de que sean ampliamente aceptadas.
6. Baterías sin cobalto
La extracción de cobalto está asociada con abusos de los derechos humanos. Además, este es un material muy costoso. Por lo tanto, el principal beneficio de estas baterías es que no utilizan cobalto. Según el Departamento de Energía de EE. UU., esperan detener el uso de cobalto en las baterías de litio para 2030.
7. Baterías de hierro-aire
Tanto el hierro como el aire están presentes en abundancia en el mundo. Por lo tanto, las baterías de hierro-aire son increíblemente asequibles. Según Popular Mechanics, una batería de hierro-aire puede durar hasta 17 veces más y es hasta 10 veces más asequible que una batería de iones de litio. El tiempo de recarga lento y el tamaño más grande son las dos limitaciones asociadas con estas baterías.
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Conclusión
Las personas que buscan cómo elegir la batería adecuada a menudo se preguntan: "¿Qué elemento se utiliza en las baterías?" Bueno, una batería está hecha de diferentes componentes, como el cátodo, el ánodo y una solución (electrolito). El cátodo y el ánodo se conocen como electrodos, y están formados por diferentes elementos, incluidos, entre otros, litio, níquel, cobalto, manganeso, plomo, cadmio y azufre.
La composición de una batería varía según los elementos y materiales utilizados durante el proceso de fabricación. Tanto los materiales como los elementos de las baterías indican cuánto tiempo pueden durar, qué tan rápido pueden cargarse, cuánta energía pueden almacenar, qué tan seguras son, qué tan rápido pueden descargarse y cómo funcionan en temperaturas extremadamente altas o bajas.
Los científicos han desarrollado una serie de nuevas tecnologías de baterías (como se mencionó anteriormente) y los investigadores de todo el mundo están trabajando para mejorar aún más las baterías recién introducidas para que sean ampliamente aceptables.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el elemento más común utilizado en las baterías?
El litio (Li) es el elemento más comúnmente utilizado tanto en baterías recargables (en vehículos eléctricos, ordenadores portátiles y teléfonos móviles) como no recargables (en relojes, juguetes y marcapasos cardíacos).
¿Se pueden reciclar los materiales de las baterías?
No todos, pero sí, los materiales utilizados en la mayoría de los tipos de baterías se pueden reciclar. Hoy en día, los procesos de reciclaje avanzados pueden recuperar entre el 25 % y el 96 % de los materiales de las baterías de iones de litio. Los procesos de reciclaje son complejos y requieren una seguridad prolongada.
¿Qué tipo de batería es la más ecológica?
Según muchos estudios de investigación, las baterías de litio-azufre son las baterías más respetuosas con el medio ambiente para vehículos eléctricos. Reducen significativamente la emisión de gases de efecto invernadero y, por lo tanto, salvan el aire de la contaminación (a diferencia de otros combustibles fósiles).
