El mundo de las baterías.

¿Queréis aprender ciencia de la mano de nuestro amigo Bob Esponja?

Foto 1. Imagen de nuestra batería "Bob Esponja".

Desde la pila Volta hasta la fecha, las baterías han sido un gran descubrimiento para la sociedad que no deja de evolucionar debido a los beneficios que nos aportan, tales como: poder tener una pequeña fuente de energía portátil para uso cotidiano, y sus costes de producción decrecientes han hecho que se utilicen en diversos ámbitos tales como: ordenadores portátiles, móviles o incluso el mando de nuestra casa. 

Foto 2. Imagen de dos pilas tipo botón una montada y otra desmontada .

En primer lugar, hablaremos de las baterías de litio como están basadas en una reacción química conocida como reacción rédox que se divide en 2 polos, positivo (cátodo) y negativo (ánodo) los cuales reaccionan entre sí dando una carga o potencial eléctrico, si este es negativo la reacción se producirá y dará como resultado una carga eléctrica por la cual funciona la pila. En la universidad tenemos diferentes prototipos, basados en las propiedades del cátodo, ánodo o incluso de la disolución en la que se encuentran los electrones. 

El modelo que comentaremos se puede decir que es el más usado. Las baterías de Litio-ion son las que usamos a diario en nuestros teléfonos móviles, pilas de cualquier tipo etc. 

Esta tecnología presenta una serie de ventajas e inconvenientes: 

Ventajas:  

El litio presenta un potencial estándar muy negativo, esto favorece que se pueda producir un traslado de electrones entre el polo positivo y negativo y de esta forma producir electricidad de manera espontánea.  

El litio es un metal que presenta baja densidad, por lo tanto, es un buen material anódico. 

Ocupan poco espacio; dependiendo del ámbito en el que trabajemos encontramos baterías de menor tamaño con un peso ligero como en el sector tecnológico. 

Mínimo efecto memoria, es decir la batería no volverá a cargarse en su totalidad, es decir no lo hará hasta su máximo.   

Inconvenientes: 

- Presenta Co, que es muy contaminante. 

- A su vez es escaso y hay guerras por el cobaltato de litio como por ejemplo la que se dio en 1998 hasta el 2003 en la República democrática del Congo. 

- Normalmente el polo positivo y negativo de una pila se encuentran separados por una membrana permeable que permite el movimiento de los iones. Si estos entran en contacto, la batería se puede sobrecalentar y empezar a hincharse debido a la presencia de gases de dióxido de carbono y por consiguiente su posible explosión. 

- Necesidad de usar cobre como colector de corriente. 

- Ciclo de carga bajo. Presentan de 300 a 500 ciclos de carga completa. Una vez superado ese límite las baterías Li-ión pueden perder un 20% de su productividad en función del fabricante. 

- Poca rentabilidad energética. 

Foto 3. Imagen de una batería reventada.

Por lo que junto a nuestro deparamento hemos propuesto una serie de mejoras: 

- La UCO y de manera específica el departamento de Química Inorgánica, presenta propuestas a estos inconvenientes que pueden ser: 

- Cambiar el Co por otro metal de transición que sea menos contaminante, lo cual hasta la fecha no se ha podido conseguir ya que no conseguimos las mismas prestaciones que con el Co. 

- Cambiar la lámina de grafito por grafeno autosoportado, es decir grafeno que no necesite de ningún material para que se mantenga firme, ayudando también a la eliminación del uso de cobre como colector de corriente. 

- Cambiar Li por Na ya que es más abundante, problema que es más grande. 

- Mejora en rentabilidad energética proponiendo un nuevo modelo de baterías conocidas como las de Li-S, a su vez también las de Na-S por la escasez del Li, el problema es que ambas son prototipos y el sodio tiene un mayor tamaño que el litio. 

- Mejora en rentabilidad económica usando materiales reciclados para poder obtener el grafeno, como por ejemplo el uso de cáscaras de almendras para obtener grafito a partir de estos. 

Y aquí podemos ver el funcionamiento de una batería de Li-S:

 

Como se recoge en el MDPI: 

Las baterías de Li-S son la próxima generación de baterías, ya que hay una gran diferencia entre las capacidades teóricas de energía, las de Li-S presentan unos 1672 mAh/g mientras que, las de Li-Ion 100 mAh/g . En cuanto a su densidad energética, las de Li-S presenta unos 2600 Wh/Kg mientras que, las de Litio-Ion tienen una densidad energética de unos 150 Wh/kg es decir, por un kilogramo de batería de litio azufre, se necesitan 17.33 kilogramos de batería de litio ion para que se consiguiera la misma energía, además de potenciar la química verde. 

Es importante seguir investigando en este campo para conseguir mejorar los problemas de la misma. Para ello se ha pensado buscar nuevas rutas para la fabricación de cátodos, así como nuevos ánodos de Li intentando evitar el Co debido a su alta toxicidad como hemos mencionado anteriormente. 

REFERENCIAS Y ENLACES EXTERNOS:

1. Alessandro Volta: Alessandro Volta - Wikipedia, la enciclopedia libre

2. Baterías: Batteries - IUPAC | International Union of Pure and Applied Chemistry

3. Guerras por el cobaltato de litio: Guerra del Coltán - EcuRed

4. Universidad de córdoba: Universidad de Córdoba (uco.es)

5. Departamento de química inorgánica: Inicio / Home (uco.es)

6. Funcionamiento de una batería Li-S: Schematical principle of a lithium-sulfur battery - YouTube

7. MDPI:  Energies | Special Issue : Advance in Lithium-Sulfur Battery (mdpi.com)

8. Los inconvenientes de las baterías de litio-azufre, resueltos gracias a un cátodo con boro - Tecnología - Híbridos y Eléctricos | Coches eléctricos, híbridos enchufables (hibridosyelectricos.com)