Es una paradoja, pero a pesar del tremendo camino que ha recorrido la electrónica durante los últimos 30 años, todos los dispositivos móviles todavía están equipados con baterías de iones de litio, que ingresaron al mercado ya en 1991, cuando el reproductor de CD habitual era el pináculo de la ingeniería en tecnología portátil.
Muchas propiedades útiles de las nuevas muestras en la electrónica y los dispositivos quedan niveladas por el escaso tiempo de alimentación de estos dispositivos desde una batería móvil. El jabón científico y los inventores habrían dado un paso al frente hace mucho tiempo, pero se mantienen gracias al "ancla" de la batería.
Echemos un vistazo a las tecnologías que pueden transformar el mundo de la electrónica en el futuro.
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Primero, un poco de historia
Con mucha frecuencia, las baterías de iones de litio (Li-ion) se utilizan en dispositivos móviles (computadoras portátiles, teléfonos móviles, PDA y otros). Esto se debe a sus ventajas sobre las baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH) y de níquel-cadmio (Ni-Cd) utilizadas anteriormente.
Las baterías de iones de litio tienen parámetros mucho mejores. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que las baterías de Ni-Cd tienen una ventaja importante: la capacidad de proporcionar altas corrientes de descarga. Esta propiedad no es críticamente importante cuando se alimentan computadoras portátiles o teléfonos celulares (donde la proporción de Li-ion alcanza el 80% y su participación es cada vez mayor), pero hay bastantes dispositivos que consumen altas corrientes, por ejemplo, todo tipo de herramientas eléctricas, afeitadoras eléctricas, etc. pags. Hasta ahora, estos dispositivos han sido casi exclusivamente del dominio de las baterías de Ni-Cd. Sin embargo, en la actualidad, especialmente en relación con la restricción del uso de cadmio de acuerdo con la directiva RoHS, se ha intensificado la investigación sobre la creación de baterías sin cadmio con una alta corriente de descarga.
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Las celdas primarias ("baterías") con un ánodo de litio aparecieron a principios de los años 70 del siglo XX y rápidamente encontraron aplicación debido a su alta energía específica y otras ventajas. Así, se hizo realidad el deseo de larga data de crear una fuente de corriente química con el agente reductor más activo, un metal alcalino, lo que hizo posible aumentar drásticamente tanto el voltaje de funcionamiento de la batería como su energía específica. Si el desarrollo de celdas primarias con ánodo de litio se coronó con un éxito relativamente rápido y tales celdas ocuparon firmemente su lugar como fuentes de energía para equipos portátiles, entonces la creación de baterías de litio tropezó con dificultades fundamentales, que tardaron más de 20 años en superarse.
Después de muchas pruebas durante la década de 1980, resultó que el problema de las baterías de litio gira en torno a los electrodos de litio. Más precisamente, en torno a la actividad del litio: los procesos que tuvieron lugar durante la operación, al final, llevaron a una reacción violenta, denominada "ventilación con emisión de llama". En 1991, se retiraron del mercado una gran cantidad de baterías de litio a las plantas de fabricación, que se utilizaron por primera vez como fuente de energía para teléfonos móviles. La razón: durante una conversación, cuando el consumo de corriente es máximo, se emitió una llama de la batería, quemando la cara del usuario del teléfono móvil.
Debido a la inestabilidad inherente al litio metálico, especialmente durante la carga, la investigación se ha trasladado al campo de la creación de una batería sin el uso de Li, pero utilizando sus iones. Aunque las baterías de iones de litio proporcionan una densidad de energía ligeramente menor que las baterías de litio, las baterías de iones de litio son seguras cuando se proporcionan con las condiciones de carga y descarga correctas. Sin embargo, no son inmunes a las explosiones.
En esta dirección, también, mientras todo está tratando de desarrollarse y no pararse. Por ejemplo, científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur) han desarrollado un nuevo tipo de batería de iones de litio que tiene un rendimiento récord. Primero, se carga en 2 minutos al 70% de su capacidad máxima. En segundo lugar, la batería ha estado funcionando casi sin degradación durante más de 20 años.
¿Qué podemos esperar a continuación?
Sodio
Según muchos investigadores, es este metal alcalino el que debería reemplazar al caro y raro litio, que además es químicamente activo y peligroso para el fuego. El principio de funcionamiento de las baterías de sodio es similar al de litio: utilizan iones metálicos para transferir la carga.
Durante años, los científicos de varios laboratorios e institutos han luchado con las desventajas de la tecnología del sodio, como la carga lenta y las bajas corrientes. Algunos de ellos lograron solucionar el problema. Por ejemplo, las muestras de preproducción de baterías BroadBit se cargan en cinco minutos y tienen entre una y media y dos veces la capacidad. Después de recibir varios premios en Europa, como el premio Innovation Radar, el premio Eureka Innovest y varios otros, la empresa pasó a la certificación, la construcción de fábricas y la obtención de patentes.
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Grafeno
El grafeno es una red cristalina plana de átomos de carbono de un átomo de espesor. Gracias a su enorme superficie en un volumen compacto, capaz de almacenar carga, el grafeno es una solución ideal para crear supercondensadores compactos.
¡Ya hay modelos experimentales con una capacidad de hasta 10,000 Faradios! Este supercondensador fue creado por Sunvault Energy en cooperación con Edison Power. Los desarrolladores afirman que en el futuro presentarán un modelo, cuya energía será suficiente para alimentar toda la casa.
Tales supercondensadores tienen muchas ventajas: la posibilidad de una carga casi instantánea, respeto al medio ambiente, seguridad, compacidad y también bajo costo. Gracias a la nueva tecnología para producir grafeno, similar a imprimir en una impresora 3D, Sunvault promete el costo de las baterías casi diez veces menor que el de las tecnologías de iones de litio. Sin embargo, la producción industrial está todavía muy lejos.
Sanvault también tiene competidores. Un grupo de científicos de la Universidad de Swinburn, Australia, también presentó un supercondensador de grafeno, que tiene una capacidad comparable a las baterías de iones de litio. Se puede cargar en unos segundos. Además, es flexible, lo que permitirá su uso en dispositivos de varios factores de forma, e incluso en ropa elegante.
Baterías atómicas
Las baterías nucleares siguen siendo muy caras. En un futuro próximo, no podrán competir con las conocidas baterías de iones de litio, pero no podemos dejar de mencionarlas, porque las fuentes que llevan 50 años generando energía continuamente son mucho más interesantes que las baterías recargables.
Su principio de funcionamiento, en cierto sentido, es similar al funcionamiento de las células solares, solo que en lugar del sol, la fuente de energía en ellas son isótopos con radiación beta, que luego es absorbida por elementos semiconductores.
A diferencia de la radiación gamma, la radiación beta es prácticamente inofensiva. Es una corriente de partículas cargadas y se protege fácilmente con capas delgadas de materiales especiales. También es absorbido activamente por el aire.
Hoy en día, el desarrollo de tales baterías se lleva a cabo en muchos institutos. En Rusia, NUST MISIS, MIPT y NPO Luch anunciaron su trabajo conjunto en esta dirección. Anteriormente, la Universidad Politécnica de Tomsk lanzó un proyecto similar. En ambos proyectos, la sustancia principal es el níquel-63, obtenido por irradiación de neutrones del isótopo níquel-62 en un reactor nuclear con posterior procesamiento radioquímico y separación en centrifugadoras de gas. El primer prototipo de la batería debería estar listo en 2017.
Sin embargo, estas fuentes de alimentación beta-voltaicas son de baja potencia y extremadamente caras. En el caso de un desarrollo ruso, el costo estimado de una fuente de energía en miniatura puede ser de hasta 4.5 millones de rublos.
Fuente de alimentación atómica basada en tritio NanoTritium de City Labs.
Nickel-63 también tiene competidores. Por ejemplo, la Universidad de Missouri ha estado experimentando con estroncio-90 durante mucho tiempo, y se pueden encontrar comercialmente baterías beta-voltaicas en miniatura basadas en tritio. A un precio cercano a los mil dólares, pueden alimentar varios marcapasos, sensores o compensar la autodescarga de las baterías de iones de litio.
Llavero luminoso con tritio.
Los expertos están tranquilos por ahora
A pesar del enfoque de la producción en masa de las primeras baterías de sodio y el trabajo activo en las fuentes de alimentación de grafeno, los expertos de la industria no predicen ninguna revolución para los próximos años.
La empresa Liteko, que opera bajo el ala de Rusnano y produce baterías de iones de litio en Rusia, cree que todavía no hay razones para una desaceleración en el crecimiento del mercado. “La demanda constante de baterías de iones de litio se debe principalmente a su alta energía específica (almacenada por unidad de masa o volumen). Según este parámetro, no tienen competidores entre las fuentes de energía química recargable producidas en serie en este momento”, comenta la empresa.
Sin embargo, en el caso de éxito comercial de las mismas baterías de sodio BroadBit, el mercado puede reformatear en cuestión de años. A menos que los propietarios y accionistas quieran ganar mucho dinero con la nueva tecnología.
