Desde el teléfono inteligente que consultamos cada mañana nada más abrir los ojos hasta el coche eléctrico que circula silenciosamente por la calle, pasando por los portátiles y las baterías externas, sería difícil que la vida cotidiana moderna se mantuviera siquiera un instante sin baterías (Battery). Estamos muy pendientes del porcentaje de carga restante (%) que aparece en la esquina superior derecha de la pantalla del teléfono, pero rara vez nos detenemos a pensar en lo que sucede dentro de esa pequeña caja rectangular.
Una batería es mucho más que un simple «depósito de electricidad». En sentido estricto, es un «dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica mediante reacciones químicas». Su funcionamiento se basa en aprovechar los cambios de estado químico de las sustancias para desplazar electrones cuando se necesitan, en lugar de almacenar electricidad directamente.
Tomaremos como ejemplo la batería de iones de litio, la más representativa de las baterías recargables modernas, para examinar en profundidad, desde una perspectiva química, sus 4 componentes internos clave, los mecanismos químicos de carga y descarga, los fenómenos de degradación y las tecnologías de baterías de nueva generación.
Los 4 componentes clave de una batería y sus funciones
Para entender cómo funciona una batería por dentro, primero hay que conocer sus 4 componentes clave, que son el material del electrodo positivo, el material del electrodo negativo, el electrolito y el separador. Estos 4 componentes hacen de «edificios» y «carreteras» en los que los iones de litio, sus huéspedes, se alojan y por los que se desplazan.
(1) Material del electrodo positivo (Positive Electrode / Cathode)
El material del electrodo positivo es el componente más importante a la hora de determinar la «capacidad» y la «potencia» de la batería. Suele presentarse en forma de compuestos de litio con óxidos de níquel, cobalto, manganeso, hierro y otros metales, como LCO, NCM y LFP. Por usar una analogía sencilla, se puede considerar el «hogar familiar (apartamento)» donde los iones de litio se alojan tranquilamente cuando la batería está completamente cargada.
(2) Material del electrodo negativo (Negative Electrode / Anode)
El material del electrodo negativo recibe y almacena durante la carga los iones de litio que salen del electrodo positivo. Se utilizan principalmente grafito (Graphite) o materiales a base de silicio. El grafito tiene una estructura laminar, formada por varias láminas superpuestas, que resulta muy adecuada para retener de forma segura los iones de litio en los espacios entre las capas. El material del electrodo negativo es el «alojamiento temporal» en el que se quedan los iones de litio durante la carga.
(3) Electrolito (Electrolyte)
El electrolito es el medio que facilita el desplazamiento de los iones de litio entre los electrodos positivo y negativo. Suele ser un líquido en el que se disuelve una sal de litio en un disolvente orgánico. Está diseñado para permitir el paso de los iones e impedir el de los electrones. Hace de «autopista y corriente fluvial» para transportar los iones.
(4) Separador (Separator)
El separador es una membrana con orificios microscópicos (una membrana porosa) que impide físicamente el contacto directo entre los electrodos positivo y negativo. Si ambos electrodos se tocan, se produce un cortocircuito que provoca un calentamiento brusco y una explosión. El separador hace de «portero de seguridad» al bloquear los electrones y dejar que solo los diminutos iones de litio atraviesen sus poros.
Mecanismo químico de la carga y la descarga (el viaje de los iones de litio)
Cuando la batería funciona, en su interior se producen reacciones de oxidación-reducción (Redox Reaction). La oxidación consiste en perder electrones, y la reducción, en ganarlos. En una batería de iones de litio, como los electrones no pueden pasar directamente de un electrodo a otro por el interior, los iones se desplazan internamente a través del electrolito y los electrones toman una ruta alternativa por el circuito externo.
[Proceso de carga (alimentación externa)]
Electrodo positivo (hogar familiar) ---> (los iones de litio se desplazan por el electrolito) ---> electrodo negativo (alojamiento temporal) ---> (los electrones se desplazan por el cable externo) --->
[Proceso de descarga (uso de un dispositivo electrónico)]
Electrodo negativo (alojamiento temporal) ---> (los iones de litio se desplazan por el electrolito) ---> electrodo positivo (hogar familiar) ---> (los electrones se desplazan por el cable externo y hacen funcionar el dispositivo) --->
(1) Descarga (Discharge), el proceso de utilizar la electricidad
Esta es la reacción que tiene lugar cuando usamos el teléfono inteligente.
- Reacción en el electrodo negativo. El litio (Li) almacenado en el electrodo negativo (grafito) pierde un electrón (e⁻), se oxida y se convierte en un ion de litio (Li⁺).
- Desplazamiento. Los iones de litio (Li⁺) que se forman se desplazan por el electrolito, atraviesan el separador y llegan al electrodo positivo. Como el electrón (e⁻) que se ha desprendido no puede atravesar el electrolito, fluye hacia el electrodo positivo por un conductor conectado al exterior de la batería (el circuito del teléfono inteligente).
- Funcionamiento. El propio flujo de electrones por el conductor externo constituye la «corriente eléctrica (electricidad)» que utilizamos.
- Reacción en el electrodo positivo. Los iones de litio y los electrones que regresan al electrodo positivo vuelven a combinarse con el material de este electrodo (reducción) y recuperan un estado estable.
(2) Carga (Charge), el proceso de volver a suministrar energía
Se produce la reacción inversa a la de la descarga. Al conectar el cargador, se fuerza la reacción aplicando un voltaje desde el exterior.
- Los iones de litio que estaban unidos al electrodo positivo vuelven a perder electrones, se desprenden y se desplazan hacia el electrodo negativo a través del electrolito.
- Los electrones pasan al electrodo negativo a través del circuito externo del cargador.
- Los iones de litio y los electrones vuelven a almacenarse de forma ordenada entre las capas de grafito del electrodo negativo.
¿Por qué se agota la vida útil de una batería? (Causas químicas de la degradación)
Tras usar una batería durante mucho tiempo, se puede apreciar que su autonomía disminuye notablemente en comparación con la que tenía cuando era nueva. Este fenómeno se denomina «degradación de la batería (Degradation)» y se debe principalmente a las siguientes alteraciones químicas.
(1) Crecimiento de la película SEI (Solid Electrolyte Interphase)
Al cargar la batería por primera vez, el electrolito se descompone en la superficie del electrodo negativo y forma una fina película protectora (película SEI). Con un grosor moderado, esta película protege la batería, pero se va engrosando a medida que se repiten los ciclos de carga y descarga. Durante este proceso, los iones de litio quedan atrapados e inmovilizados en la película, lo que reduce la «cantidad de iones de litio disponibles» para participar en las reacciones.
(2) Destrucción de la estructura cristalina de los electrodos positivo y negativo
Los iones de litio entran y salen continuamente de los espacios entre las capas de grafito o del material del electrodo positivo (fenómeno de intercalación), lo que somete al material a pequeñas tensiones mecánicas. Con el tiempo, la estructura del material se deteriora a escala microscópica o aparecen microfisuras (Micro-crack), con lo que se reduce el espacio en el que pueden entrar los iones de litio.
(3) Influencia de la temperatura ambiente y el voltaje
A temperaturas elevadas, las reacciones secundarias del electrolito aumentan bruscamente y aceleran la formación de la película. En condiciones de sobredescarga (mantener la carga al 0 %) o sobrecarga (mantenerla al 100 %), se agrava el desequilibrio estructural de los materiales de los electrodos y se acorta rápidamente la vida útil de la batería.
Tecnologías de baterías de nueva generación y retos para la química
Las baterías de iones de litio ofrecen una densidad energética excelente, pero plantean dos retos: el riesgo de incendio por el uso de electrolitos líquidos y los límites físicos de la densidad energética. Para superar estos retos, la comunidad química investiga activamente las baterías de nueva generación.
(1) Batería totalmente de estado sólido (All-Solid-State Battery)
Esta tecnología sustituye el electrolito líquido por un electrolito sólido.
- Ventajas. Se reduce considerablemente el riesgo de incendio y explosión debido a la generación de gases y a las fugas, fenómenos propios de los electrolitos líquidos. Además, el electrolito sólido puede cumplir también la función de separador, lo que permite reducir el volumen de la batería y maximizar su densidad energética.
(2) Batería de iones de sodio (Sodium-ion Battery)
Esta batería sustituye el litio, un metal escaso, por sodio, el componente principal de la sal, que es económico y cuenta con reservas abundantes.
- Ventajas. Permite reducir considerablemente los costos de producción y su rendimiento disminuye poco a bajas temperaturas. Su densidad energética es algo inferior a la de las baterías de litio, por lo que está despertando mucho interés en el ámbito de los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) y de los coches eléctricos económicos.
El poder de la química para impulsar un futuro sostenible
Una batería es mucho más que un simple producto de ingeniería. Es un sistema químico perfecto que transforma las reacciones químicas del mundo microscópico en energía en el mundo macroscópico. La suma de los pequeños movimientos de los iones de litio, que van y vienen sin descanso entre los electrodos positivo y negativo, mueve los coches eléctricos y hace posible la vida digital de la humanidad.
En la actualidad, los químicos siguen innovando para mejorar la seguridad, la rentabilidad y la sostenibilidad ambiental de las baterías. Entre sus líneas de trabajo están la comercialización de las baterías totalmente de estado sólido, el desarrollo de materiales de alta densidad para el electrodo positivo y la investigación de procesos ecológicos para reciclar las baterías usadas.
En plena transición energética, comprender la tecnología química de las baterías va más allá de adquirir conocimientos y será fundamental para interpretar las tendencias de la industria y la tecnología del futuro.
