A todos nos pasa con el tiempo: tomas tu teléfono, ansioso por mostrarle a tu amigo ese increíble contenido nuevo, pero justo cuando estás a punto de verlo, finalmente aparecen todos esos mensajes de advertencia de tu teléfono que has estado ignorando.
La pantalla se vuelve negra y el teléfono se apaga. Quizás te golpees la frente y desees haber cargado tu teléfono antes, pero como ingeniero, también te preguntarás por qué no podemos simplemente diseñar baterías que duren más. Bueno, resulta que es mucho más difícil de lo que parece.
Cómo funcionan las baterías
El trabajo de una batería es proporcionar una corriente eléctrica para alimentar un circuito. Para ello, utiliza tres partes principales: un terminal negativo llamado ánodo, un terminal positivo llamado cátodo y un electrolito que permite que las cargas fluyan entre ellos.
El ánodo y el cátodo son ambos electrodos, que son las partes de la batería que hacen contacto entre la química de la batería y el circuito. Impulsan las reacciones electroquímicas que proporcionan energía al circuito. Todo comienza con un proceso llamado oxidación, que hace que los electrones se acumulen en el ánodo. Cuando la batería está conectada a un circuito, los electrones del ánodo fluyen a través del circuito, entregando energía a cualquier cosa conectada a él. A medida que los electrones se mueven hacia el cátodo, sufren una reacción de reducción, donde el cátodo absorbe los electrones y se convierte en el terminal positivo de la fuente de alimentación.
Dentro de la batería también se mueven otras cargas. A medida que los electrones abandonan el ánodo durante la oxidación, dejan atrás iones cargados positivamente, que pueden viajar a través del electrolito hasta el cátodo. Lo mismo sucede en el cátodo: se crean iones negativos a medida que gana electrones y viajan de regreso al ánodo. Este intercambio químico libera energía, que sostiene las reacciones de oxidación y reducción para mantener la batería en funcionamiento.
Sin embargo, con el tiempo, la tasa de oxidación y reducción disminuye, lo que hace que el voltaje disminuya hasta que la batería ya no puede alimentar el circuito. Esto es cuando la batería está descargada.
Tipos de baterías
La cantidad de energía que puede almacenar una batería depende de su tipo. Las diferentes baterías tienen diferentes calidades según el uso previsto. Por ejemplo, si desea una batería que no tenga que reemplazar con frecuencia, querrá una batería recargable, aunque una batería desechable puede durar más con una sola carga.
Hay muchos factores que los ingenieros consideran al diseñar baterías para aplicaciones específicas. Para los ingenieros mecánicos, factores como el peso y la forma son importantes a la hora de incorporar baterías en dispositivos móviles como drones o robots. Los bioingenieros, por otro lado, deben considerar los químicos utilizados en las baterías de dispositivos médicos que entran en contacto con el cuerpo humano.
Si su principal prioridad es maximizar la energía en un espacio determinado, probablemente querrá una batería primaria. Las baterías primarias, también conocidas como desechables, ceden su energía química en energía eléctrica, pero una vez agotadas, no se pueden recargar. Son simples, livianos y convenientes para dispositivos como juguetes o controles remotos.
Por otro lado, las baterías recargables se pueden recargar cuando están vacías. Utilizan una combinación de ánodos, cátodos y electrolitos que permiten revertir las reacciones de oxidación y reducción, devolviendo los iones de la batería a sus electrodos originales. Esto permite cargar la batería mediante una fuente de alimentación externa.
Las ventajas y desafíos de las baterías recargables
Poder recargar una batería tiene numerosas ventajas. Elimina la necesidad de comprar constantemente baterías nuevas, permite almacenar energía de diferentes fuentes y es esencial para hacer prácticas las fuentes de energía renovables.
Las baterías recargables vienen en varios tipos según la aplicación. Para dispositivos de alto voltaje como los automóviles, se suelen utilizar baterías con electrodos de plomo y electrolitos de ácido sulfúrico. Estas baterías tienen una buena densidad de energía pero son más caras. Para dispositivos más pequeños, como teléfonos y portátiles, se suelen utilizar baterías de iones de litio. Estas baterías tienen una alta densidad energética y son recargables.
Sin embargo, las baterías de iones de litio tienen sus limitaciones. A medida que los dispositivos se vuelven más potentes y más pequeños, la tecnología de las baterías debe mantenerse al día. Pero desarrollar baterías que puedan proporcionar más energía y mayor duración ha resultado difícil. La seguridad también es una preocupación, ya que las baterías de iones de litio pueden presentar peligros cuando se rompen o cuando ciertos químicos de la batería entran en contacto con el aire.
Los investigadores e ingenieros trabajan constantemente para superar estos desafíos. Están explorando nuevas combinaciones químicas y materiales que pueden almacenar más energía, mejorar la seguridad y aumentar la vida útil de las baterías. El futuro de la tecnología de baterías es prometedor y, algún día, es posible que ya no tengamos que preocuparnos por quedarnos sin batería cuando la necesitamos más.
