Cómo funcionan las baterías | Todo lo que necesitas saber

Imagina un mundo en el que todo lo que utilizas con electricidad tenga que estar enchufado. Las linternas, los audífonos, los teléfonos móviles y otros dispositivos portátiles estarían conectados a enchufes eléctricos, lo que los volvería incómodos y engorrosos.

Los autos no podrían arrancar con solo girar una llave; se necesitaría un arranque extenuante para que los pistones se movieran. Los cables quedarían tendidos por todas partes, creando un peligro para la seguridad y un desorden antiestético. Afortunadamente, las baterías nos proporcionan una fuente móvil de energía que hace posibles muchas comodidades modernas.

Si bien existen muchos tipos diferentes de baterías, el concepto básico mediante el cual funcionan sigue siendo el mismo. Cuando un dispositivo se conecta a una batería, se produce una reacción que genera energía eléctrica. Esto se conoce como reacción electroquímica. El físico italiano Conde Alessandro Volta descubrió por primera vez este proceso en 1799 cuando creó una batería simple a partir de placas de metal y cartón o papel empapado en salmuera. Desde entonces, los científicos han mejorado enormemente el diseño original de Volta para crear baterías hechas de una variedad de materiales que vienen en multitud de tamaños.

Hoy en día, las baterías están a nuestro alrededor. Dan energía a nuestros relojes de pulsera durante meses. Mantienen funcionando nuestros despertadores y teléfonos, incluso si se corta la electricidad. Hacen funcionar nuestros detectores de humo, afeitadoras eléctricas, taladros eléctricos, reproductores de mp3, termostatos… y la lista continúa.

Si estás leyendo este artículo en tu computadora portátil o teléfono inteligente, ¡es posible que incluso estés usando baterías ahora mismo! Sin embargo, debido a que estos paquetes de energía portátiles son tan frecuentes, es muy fácil darlos por sentado. Este artículo te permitirá apreciar mejor las baterías al explorar su historia, así como las partes, reacciones y procesos básicos que las hacen funcionar. Así que corta ese cable y haz clic en nuestra guía informativa para recargar tus conocimientos sobre baterías.

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Historia de la batería

Las baterías existen desde hace más tiempo de lo que piensas. En 1938, el arqueólogo Wilhelm Konig descubrió unas peculiares vasijas de barro mientras excavaba en Khujut Rabu, en las afueras de la actual Bagdad, Irak. Las vasijas, que miden aproximadamente 5 pulgadas (12,7 centímetros) de largo, contenían una varilla de hierro revestida de cobre y databan de alrededor del año 200 a. C.

Las pruebas sugirieron que las vasijas alguna vez habían estado llenas de una sustancia ácida como vinagre o vino, lo que llevó a Konig a creer que estas vasijas eran baterías antiguas. Desde este descubrimiento, los estudiosos han producido réplicas de las vasijas que, de hecho, son capaces de producir una carga eléctrica. Estas «baterías de Bagdad» pueden haber sido utilizadas para rituales religiosos, fines medicinales o incluso para galvanoplastia.

En 1799, el físico italiano Alessandro Volta creó la primera batería apilando capas alternas de zinc, cartón o tela empapados en salmuera y plata. Esta disposición, llamada pila voltaica, no fue el primer dispositivo que generó electricidad, pero sí el primero en emitir una corriente constante y duradera. Sin embargo, el invento de Volta tenía algunos inconvenientes. La altura a la que se podían apilar las capas era limitada porque el peso de la pila exprimiría la salmuera del cartón o la tela. Los discos metálicos también tendían a corroerse rápidamente, acortando la vida útil de la batería. A pesar de estas deficiencias, la unidad SI de fuerza electromotriz ahora se llama voltio en honor al logro de Volta.

El siguiente avance en la tecnología de las baterías se produjo en 1836, cuando el químico inglés John Frederick Daniell inventó la pila Daniell. En esta primera batería, se colocó una placa de cobre en el fondo de un frasco de vidrio y se vertió una solución de sulfato de cobre sobre la placa hasta llenar el frasco hasta la mitad. Luego se colgó la placa de zinc en el frasco y se añadió una solución de sulfato de zinc. Debido a que el sulfato de cobre es más denso que el sulfato de zinc, la solución de zinc flotó hasta la parte superior de la solución de cobre y rodeó la placa de zinc.

El cable conectado a la placa de zinc representaba el terminal negativo, mientras que el que salía de la placa de cobre era el terminal positivo. Obviamente, esta disposición no habría funcionado bien en una linterna, pero para aplicaciones estacionarias funcionó bien. De hecho, la celda Daniell era una forma común de alimentar timbres y teléfonos antes de que se perfeccionara la generación eléctrica.

En 1898, la pila seca de Colombia se convirtió en la primera batería disponible comercialmente en los Estados Unidos. El fabricante, National Carbon Company, se convirtió más tarde en Eveready Battery Company, que produce la marca Energizer.

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Anatomía de una batería

Echa un vistazo a cualquier batería y notarás que tiene dos terminales. Un terminal está marcado (+) o positivo, mientras que el otro está marcado (-) o negativo. En las baterías de linterna normales, como AA, C o D, los terminales están ubicados en los extremos. Sin embargo, en una batería de 9 voltios o de automóvil, los terminales están situados uno al lado del otro en la parte superior de la unidad. Si conectas un cable entre los dos terminales, los electrones fluirán desde el extremo negativo al positivo tan rápido como puedan.

Esto desgastará rápidamente la batería y también puede ser peligroso, especialmente en baterías más grandes. Para aprovechar correctamente la carga eléctrica producida por una batería, debes conectarla a una carga. La carga podría ser algo como una bombilla, un motor o un circuito electrónico como una radio.

El funcionamiento interno de una batería suele estar alojado dentro de una caja de metal o plástico. Dentro de este caso hay un cátodo, que se conecta al terminal positivo, y un ánodo, que se conecta al terminal negativo. Estos componentes, más generalmente conocidos como electrodos, ocupan la mayor parte del espacio de una batería y son el lugar donde ocurren las reacciones químicas.

Un separador crea una barrera entre el cátodo y el ánodo, evitando que los electrodos se toquen y permitiendo que la carga eléctrica fluya libremente entre ellos. El medio que permite que la carga eléctrica fluya entre el cátodo y el ánodo se conoce como electrolito. Finalmente, el colector conduce la carga hacia el exterior de la batería y a través de la carga.

Reacciones y química de la batería

Suceden muchas cosas dentro de una batería cuando la insertas en tu linterna, control remoto u otro dispositivo inalámbrico. Si bien los procesos mediante los cuales producen electricidad difieren ligeramente de una batería a otra, la idea básica sigue siendo la misma.

Cuando una carga completa el circuito entre los dos terminales, la batería produce electricidad a través de una serie de reacciones electroquímicas entre el ánodo, el cátodo y el electrolito. El ánodo experimenta una reacción de oxidación en la que dos o más iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) del electrolito se combinan con el ánodo, produciendo un compuesto y liberando uno o más electrones.

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Al mismo tiempo, el cátodo pasa por una reacción de reducción en la que la sustancia catódica, los iones y los electrones libres también se combinan para formar compuestos. Si bien esta acción puede parecer complicada, en realidad es muy simple: la reacción en el ánodo crea electrones y la reacción en el cátodo los absorbe. El producto neto es electricidad. La batería seguirá produciendo electricidad hasta que uno o ambos electrodos se queden sin la sustancia necesaria para que se produzcan las reacciones.

Las baterías modernas utilizan una variedad de productos químicos para impulsar sus reacciones. Las químicas comunes de las baterías incluyen:

• Batería de zinc-carbono: la química de zinc-carbono es común en muchas baterías secas AAA, AA, C y D económicas. El ánodo es zinc, el cátodo es dióxido de manganeso y el electrolito es cloruro de amonio o cloruro de zinc.
• Bateria alcalina: Esta química también es común en las pilas secas AA, C y D. El cátodo está compuesto por una mezcla de dióxido de manganeso, mientras que el ánodo es un polvo de zinc. Recibe su nombre del electrolito de hidróxido de potasio, que es una sustancia alcalina.
• Batería de iones de litio (recargable): la química del litio se utiliza a menudo en dispositivos de alto rendimiento, como teléfonos móviles, cámaras digitales e incluso autos eléctricos. En las baterías de litio se utilizan diversas sustancias, pero una combinación común es un cátodo de óxido de litio y cobalto y un ánodo de carbono.
• Batería de plomo-ácido (recargable): Esta es la química utilizada en una batería de automóvil típica. Los electrodos suelen estar hechos de dióxido de plomo y plomo metálico, mientras que el electrolito es una solución de ácido sulfúrico.

Explicando la pila voltaica

Una pila voltaica es una forma temprana de batería eléctrica. El físico italiano Alessandro Volta apiló pilas de discos metálicos alternos de cobre y zinc separados por trozos de tela o cartón empapados en una solución electrolítica. Cuando los metales y el electrolito entran en contacto, se produce una reacción química que genera una diferencia de potencial eléctrico entre las capas metálicas.

Esta diferencia de potencial permite el flujo de corriente eléctrica a través de un circuito externo conectado al pilote. Las pilas de Volta sirvieron como precursoras de las baterías eléctricas modernas y desempeñaron un papel crucial en la configuración del desarrollo de la tecnología eléctrica y nuestra comprensión de la electricidad.

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El impacto de Volta

El trabajo de Volta contribuyó a la comprensión de la corriente eléctrica y la fuerza electromotriz. Demostró la conexión entre las reacciones químicas y la electricidad, abriendo nuevas vías de exploración científica. El químico inglés William Nicholson, por ejemplo, creó algo similar a las pilas voltaicas y comenzó a realizar experimentos.

Nicholson, junto con Anthony Carlisle, descubrieron que sumergir los polos de la batería en agua provocaba una transformación química impulsada por energía eléctrica. El descubrimiento de la electrólisis del agua complementó los descubrimientos de Volta.

Experimentos caseros con baterías

Si deseas aprender más sobre las reacciones electroquímicas que ocurren en las baterías, puedes construir una tú mismo utilizando materiales domésticos simples.

Una cosa que debes comprar antes de comenzar es un voltímetro económico ($10 a $20) en tu ferretería o electrónica local. Asegúrate de que el medidor pueda leer voltajes bajos (en el rango de un voltio) y corrientes bajas (en el rango de cinco a 10 miliamperios). Con este equipo a mano, podrás ver exactamente qué tan bien está funcionando tu batería.

Puedes crear tu propia pila voltaica usando monedas de veinticinco centavos, papel de aluminio, papel secante, vinagre de sidra y sal.

1. Corta el papel de aluminio y el papel secante en círculos.
2. Remoja el papel secante en una mezcla de vinagre de sidra y sal.
3. Usa cinta adhesiva para conectar un cable de cobre a uno de los discos de aluminio.
4. Ahora apila los materiales en este orden: papel de aluminio, papel, cuarto, papel de aluminio, papel, cuarto, y así sucesivamente hasta que hayas repetido el patrón 10 veces.
5. Una vez que la última moneda esté en la pila, fíjale un cable con cinta adhesiva.
6. Finalmente, conecta los extremos libres de los dos cables a un LED, que debería iluminarse.

En este experimento, el cobre de la moneda es el cátodo, la lámina es el ánodo, la solución de vinagre de sidra y sal es el electrolito y el papel secante es el separador.

También puedes crear una batería casera con alambre de cobre, un clip y un limón.

1. Primero, corta un trozo corto de alambre de cobre y endereza el clip.
2. Utiliza papel de lija para alisar las partes ásperas de los extremos de cualquiera de las piezas de metal.
3. A continuación, exprime suavemente el limón haciéndolo rodar sobre una mesa, pero con cuidado de no romper la piel.
4. Empuja el alambre de cobre y el clip dentro del limón, asegurándote de que estén lo más juntos posible sin tocarse.
5. Finalmente, conecta tu voltímetro a los extremos del clip y al cable de cobre, y vea qué tipo de voltaje y corriente produce tu batería.

Baterías recargables

Con el aumento de dispositivos portátiles como ordenadores portátiles, teléfonos móviles, reproductores de MP3 y herramientas eléctricas inalámbricas, la necesidad de baterías recargables ha crecido sustancialmente en los últimos años. Las baterías recargables existen desde 1859, cuando el físico francés Gaston Plante inventó la celda de plomo-ácido. Con un ánodo de plomo, un cátodo de dióxido de plomo y un electrolito de ácido sulfúrico, la batería Plante fue la precursora de las baterías de automóvil modernas.

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Las baterías no recargables, o celdas primarias, y las baterías recargables, o celdas secundarias, producen corriente exactamente de la misma manera: a través de una reacción electroquímica que involucra un ánodo, un cátodo y un electrolito. Sin embargo, en una batería recargable, la reacción es reversible. Cuando se aplica energía eléctrica de una fuente externa a una celda secundaria, el flujo de electrones negativo a positivo que ocurre durante la descarga se invierte y se restablece la carga de la celda. Las baterías recargables más comunes en el mercado hoy en día son las de iones de litio (LiOn), aunque las baterías de hidruro metálico de níquel (NiMH) y de níquel-cadmio (NiCd) también fueron muy frecuentes.

Cuando se trata de baterías recargables, no todas las baterías son iguales. Las baterías de NiCd estuvieron entre las primeras baterías recargables disponibles comercialmente. Aunque eran más eficientes que las baterías de plomo-ácido, tenían problemas de memoria y vida útil limitada. Las baterías NiMH, que reemplazaron a las NiCd, tenían una mayor capacidad y menos problemas de memoria, pero también eran más caras. Aunque las baterías de LiOn son más costosas aún, proporcionaron una mayor capacidad en un tamaño más pequeño y se convirtieron en la elección preferida para dispositivos portátiles.

Las baterías recargables se pueden cargar utilizando un cargador adecuado para el tipo de batería. Estos cargadores controlan la corriente y el voltaje aplicados a la batería durante la carga para garantizar una carga segura y eficiente.

Baterías en la vida cotidiana

Las baterías desempeñan un papel fundamental en nuestra vida cotidiana. Puedes encontrarlas en dispositivos como relojes, controles remotos, linternas, teléfonos móviles, computadoras portátiles, tabletas, cámaras digitales, juguetes y herramientas eléctricas, por nombrar solo algunos ejemplos. Sin baterías, muchos de estos dispositivos no serían portátiles ni convenientes de usar.

Las baterías también son cruciales en aplicaciones de respaldo de energía. Los sistemas de baterías de plomo-ácido se utilizan comúnmente en vehículos, como automóviles y motocicletas, para proporcionar la energía necesaria para arrancar el motor y para alimentar los sistemas eléctricos mientras el motor está apagado. Además, las baterías de plomo-ácido más grandes se utilizan en aplicaciones estacionarias, como sistemas de energía de respaldo en hospitales, centros de datos y telecomunicaciones.

En los últimos años, las baterías de iones de litio han revolucionado la industria de la electrónica portátil, lo que ha llevado al desarrollo de dispositivos cada vez más pequeños y livianos con una gran capacidad de energía. Los teléfonos inteligentes, las tabletas y los dispositivos portátiles se benefician enormemente de las baterías de iones de litio debido a su alta densidad de energía y su capacidad de carga rápida.

Conclusión

En resumen, las baterías son una parte esencial de nuestras vidas modernas, alimentando una amplia variedad de dispositivos que utilizamos a diario. Desde las baterías primarias que se agotan después de un solo uso hasta las baterías recargables que pueden durar años, estas fuentes de energía portátiles son la columna vertebral de la movilidad en la era digital.

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Ya sea que estés utilizando una batería alcalina en tu control remoto, una batería de iones de litio en tu teléfono inteligente o una batería de plomo-ácido en tu automóvil, todas funcionan mediante el mismo principio básico: una reacción electroquímica que genera energía eléctrica. Este proceso es parte de nuestra vida cotidiana y continúa siendo objeto de investigación y desarrollo para crear baterías más eficientes y sostenibles en el futuro.