Historia de las baterías

Las baterías proporcionaron la principal fuente de electricidad antes del desarrollo de los generadores eléctricos y las redes eléctricas a fines del siglo XIX. Las sucesivas mejoras en la tecnología de las baterías facilitaron importantes avances eléctricos, desde los primeros estudios científicos hasta el surgimiento de los telégrafos y los teléfonos, que finalmente dieron lugar a computadoras portátiles, teléfonos móviles, automóviles eléctricos y muchos otros dispositivos eléctricos.

Los científicos e ingenieros desarrollaron varios tipos de baterías comercialmente importantes. Las "células húmedas" eran recipientes abiertos que contenían electrolito líquido y electrodos metálicos. Cuando los electrodos se consumieron por completo, la celda húmeda se renovó reemplazando los electrodos y el electrolito. Los contenedores abiertos no son adecuados para uso móvil o portátil. Las celdas húmedas se utilizaron comercialmente en los sistemas de telégrafo y teléfono. Los primeros coches eléctricos utilizaban celdas húmedas semiselladas.

Una clasificación importante para las baterías es por su ciclo de vida. Las baterías "primarias" pueden producir corriente tan pronto como se ensamblan, pero una vez que se consumen los elementos activos, no se pueden recargar eléctricamente. El desarrollo de la batería de plomo-ácido y los subsiguientes tipos "secundarios" o "recargables" permitieron restaurar la energía a la celda, extendiendo la vida útil de las celdas ensambladas permanentemente. La introducción de baterías a base de níquel y litio en la segunda mitad del siglo XX hizo factible el desarrollo de innumerables dispositivos electrónicos portátiles, desde potentes linternas hasta teléfonos móviles. Las baterías estacionarias muy grandes encuentran algunas aplicaciones en el almacenamiento de energía de la red, ayudando a estabilizar las redes de distribución de energía eléctrica.

Invención

Desde mediados del siglo XVIII, antes de que existieran las baterías, los experimentadores usaban botellas de Leyden para almacenar carga eléctrica. Como una forma temprana de capacitor, las botellas de Leyden, a diferencia de las baterías, almacenaban su carga físicamente y la liberaban toda a la vez. Muchos experimentadores comenzaron a conectar varios frascos de Leyden para crear una carga más fuerte y uno de ellos, el inventor de la América colonial Benjamin Franklin, pudo haber sido el primero en llamar a su grupo una "batería eléctrica", un juego con el término militar para el funcionamiento de las armas. juntos.

Basado 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, almacenando y liberando una carga a través de una reacción química en lugar de físicamente, lo que se conoció como la pila voltaica. La pila voltaica consistía en 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 botella de Leyden, la pila voltaica producía electricidad continua y corriente estable, y perdía poca carga con el tiempo cuando no se usaba.Experimentó con varios metales y descubrió que el zinc y la plata daban los mejores resultados.

Volta creía que la corriente era el resultado de dos materiales diferentes que simplemente se tocaban entre sí (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 prevenir esta corrosión. De hecho, se observó que la corrosión era más rápida cuando se extraía una corriente más alta. Esto sugirió que la corrosión era en realidad parte integral de la capacidad de la batería para producir una corriente. Esto, en parte, condujo al rechazo de la teoría de la tensión de contacto de Volta a 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 con esta sección, de la pila voltaica de zinc-cobre, tiene el diseño moderno, una indicación de que la "tensión de contacto" no es la fuente de fuerza electromotriz para la pila voltaica.

Los modelos de pilotes originales de Volta tenían algunas fallas técnicas, una de ellas relacionada con la fuga de electrolito y que provocaba 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 en una pila. Esto se conocía como la batería del canal. El propio Volta inventó una variante que consistía en una cadena de copas llenas de una solución salina, unidas entre sí por arcos metálicos sumergidos en el líquido. Esto se conocía 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, aunque no resultó tan popular.

Otro problema con las baterías de Volta fue la corta duración de la batería (una hora en el mejor de los casos), que fue causada por dos fenómenos. La primera era que la corriente producida electrolizaba la solución electrolítica, lo que daba como resultado la formación de 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 cortocircuitos diminutos alrededor de las impurezas del zinc, lo que provocaba su degradación. 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 de acción local.

A pesar de sus defectos, las baterías de Volta proporcionan una corriente más constante que las botellas de Leyden e hicieron posible muchos nuevos experimentos y descubrimientos, como la primera electrólisis del agua por parte del cirujano inglés Anthony Carlisle y el químico inglés William Nicholson.

Primeras baterías prácticas

Celula daniel

Un profesor de química inglés llamado John Frederic Daniell encontró una manera de resolver el problema de la burbuja de hidrógeno en la Pila Voltaica usando un segundo electrolito para consumir el hidrógeno producido por el primero. En 1836, inventó la celda de Daniell, que consiste en una olla de cobre llena con una solución de sulfato de cobre, en la que se sumerge un recipiente de barro sin esmaltar lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc. La barrera de loza es porosa, lo que permite el paso de iones pero evita que las soluciones se mezclen.

La celda Daniell fue una gran mejora con respecto a la tecnología existente utilizada en los primeros días del desarrollo de la batería y fue la primera fuente práctica de electricidad. Proporciona una corriente más duradera 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 de telégrafo.

La celda de Daniell también se utilizó como el primer estándar de trabajo para la definición del voltio, que es la unidad de fuerza electromotriz.

Celda de pájaro

Una versión de la celda de Daniell fue inventada en 1837 por el médico del hospital de Guy, Golding Bird, quien usó 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.

Célula de olla porosa

La versión en recipiente poroso de la celda de Daniell fue inventada por John Dancer, un fabricante de instrumentos de Liverpool, en 1838. Consiste en un ánodo de zinc central sumergido en un recipiente de barro poroso que contiene una solución de sulfato de zinc. El recipiente poroso, a su vez, se sumerge 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.

Celda de gravedad

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 prescindía 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 de telégrafos estadounidenses y británicas, y fue ampliamente utilizada hasta la década de 1950.

La celda de gravedad consiste en un frasco de vidrio, en el cual un cátodo de cobre se asienta en el fondo y un ánodo de zinc está suspendido debajo del borde. Los cristales de sulfato de cobre se esparcen alrededor del cátodo y luego el frasco se llena con agua destilada. A medida que se extrae 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 a un técnico medir la duración de la batería de un vistazo. Por otro lado, esta configuración significa que la batería solo se puede usar en un aparato estacionario, de lo contrario, las soluciones se mezclan o se derraman. Otra desventaja es que se debe extraer continuamente una corriente para evitar que las dos soluciones se mezclen por difusión, por lo que no es adecuado para uso intermitente.

Célula de Poggendorff

El científico alemán Johann Christian Poggendorff superó los problemas de separación del electrolito y el despolarizador usando una vasija de barro poroso 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 despolarizador es ácido crómico. Los dos ácidos se mezclan físicamente juntos, eliminando la olla porosa. El electrodo positivo (cátodo) son dos placas de carbón, con una placa de zinc (negativa o ánodo) colocada entre ellas. Debido a la tendencia de la mezcla ácida 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 la 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 finalmente la hizo 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 misma no contiene dicromato.

La celda de Fuller se desarrolló a partir de la celda 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.

Celda de arboleda

El galés William Robert Grove inventó la celda de 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 Grove proporciona una corriente alta y casi el doble del voltaje de la celda Daniell, lo que la convirtió en la celda favorita de las redes telegráficas estadounidenses durante un tiempo. Sin embargo, emite humos venenosos de óxido nítrico cuando se opera. El voltaje también cae bruscamente a medida que disminuye la carga, lo que se convirtió en una desventaja a medida que las redes telegráficas se volvieron más complejas. El platino era y sigue siendo muy caro.

Celda parda

Alfred Dun 1885, ácido nitro-muriático (aqua regis) – hierro y carbono:

En el nuevo elemento pueden usarse ventajosamente como líquido excitador en el primer caso tales soluciones que tienen en estado concentrado un gran poder despolarizante, que efectúa químicamente toda la despolarización sin necesidad del recurso mecánico de aumentar la superficie de carbono. Se prefiere usar hierro como electrodo positivo y ácido nitro muriático líquido excitante (aqua regis), la mezcla constituida por los ácidos muriático y nítrico. El ácido nitro-muriático, como se explicó anteriormente, sirve para llenar ambas celdas. Para las celdas de carbón se usa fuerte o muy poco diluido, pero para las otras celdas muy diluido (alrededor de una vigésima parte, o como mucho una décima parte). El elemento que contiene en una celda carbono y ácido nitro-muriático concentrado y en la otra celda hierro y ácido nitro-muriático diluido permanece constante durante al menos veinte horas cuando se emplea para iluminación eléctrica incandescente.

Baterías recargables y pilas secas

Plomo-ácido

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.

El primer modelo de Planté consistía en dos láminas de plomo separadas por tiras de goma y enrolladas en espiral. Sus baterías se usaron por primera vez para encender las luces en los vagones de tren mientras se detenía en una estación. 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 sobretensiones, porque tiene una resistencia interna muy baja, lo que significa que se puede usar una sola batería para alimentar múltiples circuitos.

La batería de plomo-ácido todavía se usa 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, se usó un electrolito en gel (en lugar de líquido) producido al agregar sílice a una celda cargada en la batería LT de radios portátiles de tubo de vacío. En la década de 1970, las versiones "selladas" se volvieron comunes (comúnmente conocidas como "celda de gel" o "SLA"), lo que permitió que la batería se usara en diferentes posiciones sin fallas ni fugas.

Hoy en día, las celdas se clasifican como "primarias" si producen una corriente solo 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".

Celda de Leclanché

En 1866, Georges Leclanché inventó una batería que consiste en 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. Proporcionó un voltaje de 1.4 voltios. Esta célula logró un éxito muy rápido en telegrafía, señalización y timbre eléctrico.

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 línea telefónica. La celda de Leclanché no puede proporcionar una corriente sostenida por mucho tiempo. En conversaciones largas, la batería se agotaba y la conversación era inaudible. Esto se debe a que ciertas reacciones químicas en la celda aumentan la resistencia interna y, por lo tanto, reducen el voltaje.

Pila de zinc-carbono, la primera pila seca

Muchos experimentadores intentaron inmovilizar el electrolito de una celda electroquímica para que fuera más cómodo de usar. La pila Zamboni de 1812 es una batería seca de alto voltaje pero capaz de entregar solo corrientes mínimas. Se hicieron varios experimentos con celulosa, aserrín, vidrio hilado, fibras de asbesto y gelatina.

En 1886, Carl Gassner obtuvo una patente alemana sobre una variante de la celda de Leclanché, que llegó a conocerse como celda seca porque no tiene un electrolito líquido libre. En su lugar, el cloruro de amonio se mezcla con yeso de París para crear una pasta, con una pequeña cantidad de cloruro de zinc añadido para prolongar la vida útil. El cátodo de dióxido de manganeso se sumerge en esta pasta y ambos se sellan en una cubierta 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 el Columbia dry cell, comercializado por primera vez por la National Carbon Company en 1896. La NCC mejoró el modelo de Gassner reemplazando el yeso de París con cartón enrollado, una innovación que dejó más espacio para el cátodo y convirtió la batería en más fácil de montar. Fue la primera batería conveniente para las masas e 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.

En 1887, Sakizō Yai (屋井 先蔵) de Japón desarrolló una batería seca, luego patentada en 1892. En 1893, la batería seca de Sakizō Yai se exhibió en la Exposición Universal de Colombia y atrajo una atención internacional considerable.

NiCd, la primera pila alcalina

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 de energía significativamente mejor que las baterías de plomo-ácido, pero eran mucho más caras.

Siglo XX: nuevas tecnologías y ubicuidad

Tamaño	año introducido
D	1898
Automóvil club británico	1907
AAA	1911
9V	1956

Níquel-hierro

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. 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 forma 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 pudiera obtener una patente. Edison pensó que si producía autos eléctricos de batería livianos y duraderos, se convertiría en el estándar, con su empresa como su principal proveedor de baterías. Después de muchos experimentos, y probablemente tomando prestado del diseño de Jungner, patentó una batería de níquel-hierro de base alcalina en 1901.Sin embargo, los clientes encontraron que su primer modelo de batería alcalina de níquel-hierro era propenso a fugas, lo que acortaba la vida útil de la batería, y tampoco superaba por mucho a la batería de plomo-ácido. Si bien Edison pudo producir un modelo más confiable y potente siete años después, en ese momento el económico y confiable Modelo T de Ford había hecho de los autos con motor de gasolina el estándar. Sin embargo, la batería de Edison logró un gran éxito en otras aplicaciones, como vehículos ferroviarios eléctricos y diesel-eléctricos, proporcionando energía de respaldo para las señales de cruce de ferrocarril o para proporcionar energía a las lámparas utilizadas en las minas.

Pilas alcalinas comunes

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 National Carbon Co. en Ontario y, en 1955, en el Laboratorio de Investigación Parma de National Carbon Company en Cleveland, Ohio, recibió la tarea de encontrar una manera de extender la vida útil de baterías de zinc-carbono. Sobre la base del trabajo anterior de Edison, Urry decidió en cambio que las pilas alcalinas eran más prometedoras. Hasta entonces, las pilas alcalinas de mayor duración eran increíblemente 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 pusieron en el mercado en 1959.

Níquel-hidrógeno y níquel-hidruro metálico

La batería de níquel-hidrógeno entró en el mercado como un subsistema de almacenamiento de energía para satélites comerciales de comunicaciones.

Las primeras baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH) de grado 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. 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.

Baterías de litio y de iones de litio

El litio es el metal con 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 sugiere que sería un material ideal para baterías. La experimentación con baterías de litio comenzó en 1912 bajo la dirección del químico físico estadounidense Gilbert N. Lewis, pero las baterías comerciales de litio no llegaron al mercado hasta la década de 1970 en forma de batería de iones de litio. Las celdas primarias de litio de tres voltios, como el tipo CR123A y las celdas de botón de tres voltios, todavía se usan ampliamente, especialmente en cámaras y dispositivos muy pequeños.

Tres desarrollos importantes con respecto a las baterías de litio ocurrieron en la década de 1980. En 1980, un químico estadounidense, John B. Goodenough, descubrió el cátodo LiCoO ₂ (óxido de cobalto de litio) (plomo positivo) y un científico 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 nano-carbonacious-PAS (poliaceno) y encontraron que era muy efectivo para el ánodo en el electrolito líquido convencional. 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.

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 un solvente líquido, y los electrodos y separadores están laminados entre sí. La última diferencia permite que la batería se envuelva en un envoltorio flexible en lugar de una carcasa rígida de metal, 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 controlados por radio, ya que estas baterías permiten un diseño más flexible y compacto. Por lo general, tienen una densidad de energía más baja que las baterías de iones de litio normales.

En 2019, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino recibieron el Premio Nobel de Química por su desarrollo de baterías de iones de litio.