Experimentos
En 1749, Benjamin Franklin, el erudito estadounidense y padre fundador, utilizó por primera vez el término «batería» para describir un conjunto de condensadores conectados que utilizó para sus experimentos con electricidad. Estos condensadores eran paneles de vidrio recubiertos con metal en cada superficie. Estos condensadores se cargaban con un generador estático y se descargaban tocando metal a su electrodo. Unirlos en una «batería» daba una descarga más fuerte. Originalmente con el significado genérico de» un grupo de dos o más objetos similares que funcionan juntos», como en una batería de artillería, el término se usó para pilas voltaicas y dispositivos similares en los que muchas células electroquímicas estaban conectadas entre sí a la manera de los condensadores de Franklin. Hoy en día, incluso una sola célula electroquímica, también conocida como célula seca, se denomina comúnmente batería.
Invención
Luigi Galvani fue un médico, físico, biólogo y filósofo italiano, que descubrió la electricidad animal. En 1780, él y su esposa Lucía descubrieron que los músculos de las patas de rana muertas se contrajeron al ser golpeados por una chispa eléctrica. Galvani creía que la energía que impulsaba esta contracción provenía de la propia pierna. Llamó «electricidad animal» cuando dos metales diferentes se conectaron en serie con la pata de una rana y entre sí.
Sin embargo, Alessandro Volta, el físico y químico italiano, amigo y compañero científico de Luigi Galvani, no estuvo de acuerdo, creyendo que este fenómeno fue causado 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 llegó a ser conocida como 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 del frasco 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. 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 corregirse 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, llevó al rechazo de la teoría de tensión de contacto de Volta en favor de la teoría electroquímica.
Los modelos de pila originales de Volta tenían algunos defectos técnicos, uno de ellos relacionado con fugas de electrolito y cortocircuitos debido al peso de los discos que comprimían el paño empapado en salmuera. William Cruickshank, un cirujano militar y químico escocés, 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 tazas 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 pilas originales, aunque no resultó tan popular.
Otro problema con las baterías de Volta fue la corta duración de la batería (en el mejor de los casos, una hora), que fue causada por dos fenómenos. La primera fue que la corriente producida electrolizó la solución de electrolito, lo que resultó en una película de burbujas de hidrógeno que se formaron en el cobre, lo que aumentó 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, causando 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 de acción local.
A pesar de sus defectos, las baterías de Volta proporcionan una corriente más estable que los frascos de Leyden, e hicieron posible muchos nuevos experimentos y descubrimientos, como la primera electrólisis del agua por el cirujano inglés Anthony Carlisle y el químico inglés William Nicholson.
Primeras baterías prácticas
Daniell cell
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 mediante el uso de un segundo electrolito para consumir el hidrógeno producido por el primero. En 1836, inventó la célula 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 esmaltar lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc. La barrera de barro 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 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 una tensión de funcionamiento de aproximadamente 1,1 voltios. Pronto se convirtió en el estándar de la industria para su uso, especialmente con las nuevas redes telegráficas.
La celda Daniell también se utilizó como el primer estándar de trabajo para la definición del voltio, que es la unidad de fuerza electromotriz.
Célula de pájaro
Una versión de la célula de Daniell fue inventada en 1837 por el médico del hospital Guy, Golding Bird, que usó una barrera de yeso de París para mantener las soluciones separadas. Los experimentos de Bird con esta célula fueron de cierta importancia para la nueva disciplina de la electrometalurgia.
Celda de olla porosa
La versión de olla 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 olla de barro poroso 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 célula. El uso de una barrera porosa permite el paso de iones, pero evita que las soluciones se mezclen.
Célula de gravedad
En la década de 1860, un francés llamado Callaud inventó una variante de la célula de Daniell llamada célula de gravedad. Esta versión más simple 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 de elección para las redes telegráficas estadounidenses y británicas, y fue ampliamente utilizada hasta la década de 1950.
La celda de gravedad consiste en un frasco de vidrio, en el que un cátodo de cobre se encuentra en la parte inferior y un ánodo de zinc está suspendido debajo del borde. Los cristales de sulfato de cobre se dispersan alrededor del cátodo y luego el frasco se llena con agua destilada. A medida que se dibuja 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 azul profundo, que permite a un técnico medir la duración de la batería con 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 una corriente debe dibujarse continuamente para evitar que las dos soluciones se mezclen por difusión, por lo que no es adecuada para uso intermitente.
Celda Poggendorff
El científico alemán Johann Christian Poggendorff superó los problemas con la separación del electrolito y el despolarizador utilizando una olla de barro porosa en 1842. En la célula de Poggendorff, a veces llamada Célula de 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, eliminando la olla porosa. El electrodo positivo (cátodo) es dos placas de carbono, con una placa de zinc (negativo 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. Demostró ser 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 fragilidad relativa de su delgado recinto de vidrio y la necesidad de tener que elevar la placa de zinc cuando la celda no está en uso, finalmente la hizo perder su favor. 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 mediante la adición de ácido sulfúrico al dicromato de potasio, a pesar de que la célula en sí no contiene dicromato.
La célula Fuller se desarrolló a partir de la célula Poggendorff. Aunque la química es principalmente la misma, los dos ácidos se separan una vez más por un recipiente poroso y el zinc se trata con mercurio para formar una amalgama.
Grove cell
La célula Grove fue inventada por el galés William Robert 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 de barro porosa. La celda Grove proporciona una alta corriente y casi el doble de voltaje que la celda Daniell, lo que la convirtió en la celda preferida de las redes telegráficas estadounidenses durante un tiempo. Sin embargo, emite vapores de óxido nítrico venenoso cuando se opera. El voltaje también cae bruscamente a medida que disminuye la carga, lo que se convirtió en un pasivo a medida que las redes telegráficas se volvieron más complejas. El platino era y sigue siendo muy caro.
Baterías recargables y celdas secas
Plomo-ácido
Hasta este punto, todas las baterías existentes se drenarían permanentemente cuando se gastaran todas sus reacciones químicas. En 1859, Gaston Planté inventó la batería de plomo-ácido, la primera batería que se podía recargar pasando una corriente inversa a través de ella. Una célula de ácido de plomo consiste en un ánodo de plomo y un cátodo de dióxido de plomo sumergido 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 de este modo.
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 vagones de tren mientras se detenían 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 por la cantidad de energía que puede contener. Sin embargo, puede producir corrientes notablemente grandes en sobretensiones. También tiene una resistencia interna muy baja, lo que significa que una sola batería se puede usar 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, un electrolito en gel (en lugar de un líquido) producido mediante la adición de sílice a una celda cargada se utilizó en la batería LT de radios portátiles de tubo de vacío. En la década de 1970, las versiones «selladas» se hicieron comunes (comúnmente conocidas como «celda de gel» o «SLA»), permitiendo que la batería se usara en diferentes posiciones sin fallas ni fugas.
Hoy en día, las células se clasifican como» primarias «si producen una corriente solo hasta que se agoten sus reactivos químicos, y» secundarias » si las reacciones químicas se pueden revertir recargando la célula. La célula de plomo-ácido fue la primera célula «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 envuelto en un material poroso, sumergido 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. Proporcionaba un voltaje de 1,4 voltios. Esta célula logró un éxito muy rápido en el trabajo de telegrafía, señalización y campana eléctrica.
La forma de celda seca se usaba para alimentar los primeros teléfonos, generalmente desde una caja de madera adyacente colocada para colocar baterías antes de que los teléfonos pudieran extraer energía de la propia línea telefónica. La célula de Leclanché no puede proporcionar una corriente sostenida durante mucho tiempo. En conversaciones largas, la batería se agotaba, haciendo que la conversación fuera inaudible. Esto se debe a que ciertas reacciones químicas en la célula aumentan la resistencia interna y, por lo tanto, reducen el voltaje. Estas reacciones se invierten cuando la batería se deja inactiva, por lo que es buena solo para uso intermitente.
Celda de zinc-carbono, la primera celda seca
Muchos experimentadores intentaron inmovilizar el electrolito de una celda electroquímica para que fuera más conveniente de usar. La pila Zamboni de 1812 es una batería seca de alto voltaje, pero capaz de suministrar solo corrientes minúsculas. Se realizaron varios experimentos con celulosa, aserrín, vidrio hilado, fibras de asbesto y gelatina.
En 1886, Carl Gassner obtuvo una patente alemana en una variante de la célula Leclanché, que llegó a ser conocida como la célula 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 agregado para prolongar la vida útil. El cátodo de dióxido de manganeso se sumerge en esta pasta, y ambos están sellados 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 se puede usar 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. El NCC mejoró el modelo de Gassner reemplazando el yeso de París por cartón en espiral, una innovación que dejó más espacio para el cátodo y facilitó el montaje de la batería. Fue la primera batería conveniente para las masas e hizo prácticos los dispositivos eléctricos portátiles, y condujo directamente a la invención de la linterna.
En paralelo, 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, Yai Sakizō de Japón desarrolló una batería seca, luego patentada en 1892. En 1893, la batería seca de Yai Sakizō se exhibió en la Exposición Universal de Colombia y atrajo una considerable atención internacional.
NiCd, la primera batería 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 usar un electrolito alcalino. Se comercializó en Suecia en 1910 y llegó a los 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
Baterías de níquel-hierro
Fabricadas entre 1972 y 1975 bajo la marca «Exide», desarrolladas originalmente en 1901 por Thomas Edison.
Waldemar Jungner patentó una batería de níquel-hierro en 1899, el mismo año que su patente de batería Ni-Cad, pero encontró que era inferior a su homólogo de cadmio y, como consecuencia, nunca se molestó en desarrollarla. Producía mucho más gas hidrógeno cuando se cargaba, lo que significa 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 podría obtener una patente. Edison pensó que si producía coches eléctricos de batería livianos y duraderos se convertiría en el estándar, con su firma 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 que llevaban a una batería de corta duración, y tampoco superó en mucho a la celda de plomo-ácido. Aunque Edison fue capaz de producir un modelo más fiable y potente siete años más tarde, para entonces el económico y confiable Ford Modelo T había hecho de los automóviles con motor de gasolina 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 cruce de ferrocarril o para proporcionar energía para las lámparas utilizadas en las minas.
Baterías alcalinas comunes
Hasta finales de la década de 1950, la batería de zinc–carbono continuó siendo una batería de celda primaria popular, pero su duración de batería relativamente baja obstaculizó las ventas. En 1955, un ingeniero llamado Lewis Urry, que trabajaba para Union Carbide en la Compañía Nacional de Carbono Parma Research Laboratory, se encargó de encontrar una manera de extender la vida útil de las baterías de zinc-carbono, pero Urry decidió que las baterías alcalinas eran más prometedoras. Hasta entonces, las baterías alcalinas de mayor duración eran inviablemente caras. La batería de Urry consiste en 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 fueron puestas en el mercado en 1959.
Níquel-hidrógeno e hidruro metálico de níquel
La batería de níquel–hidrógeno entró en el mercado como subsistema de almacenamiento de energía para satélites de comunicaciones comerciales.
Las primeras baterías de hidruro metálico de níquel de grado de consumo (NiMH) para aplicaciones más pequeñas aparecieron en el mercado en 1989 como una variación de la batería de hidrógeno de níquel de la década de 1970. Las baterías NiMH tienden a tener una vida útil más larga que las baterías NiCd (y su vida útil continúa aumentando a medida que los fabricantes experimentan con nuevas aleaciones) y, como el cadmio es tóxico, las baterías NiMH son menos dañinas para el medio ambiente.
Baterías de litio e 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 acelera su difusión, lo que sugiere que sería un material ideal para baterías.La experimentación con baterías de litio comenzó en 1912 bajo G. N. Lewis, pero las baterías de litio comerciales no llegaron al mercado hasta la década de 1970. 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 LiCoO2 (plomo positivo) y un científico de investigación 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 nanocarbono-PAS (poliaceno) y descubrieron 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, la batería de polímero de litio fue lanzada por Sony y Asahi Kasei. Estas baterías mantienen su electrolito en un compuesto de polímero sólido en lugar de en un solvente líquido, y los electrodos y separadores se laminan entre sí. Esta última diferencia permite que la batería esté encerrada en una envoltura flexible en lugar de en 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 controlados por radio, ya que dichas 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 2019 por su desarrollo de baterías de iones de litio.