La fascinación por la electricidad y el deseo de producirla y guardarla han estado latentes desde tiempos antiguos. Algunas civilizaciones ya vislumbraban la necesidad e importancia de acumular energía de alguna forma, y lograron identificar las primeras piezas del rompecabezas. En la antigua Mesopotamia descubrieron que el bronce era un conductor de energía y los egipcios observaron esto mismo con las hojas de oro 1,300 años antes de Cristo. El científico Tales de Mileto describió los efectos de la electricidad estática en 624 a.C. Pero tuvieron que pasar muchos siglos para llegar al 1800, año en que se creó la pila que conocemos hoy. El invento se le atribuye al italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (nacido en Lago di Como, Italia, en 1745).
En entrevista con Proyecto FSE, Umberto Molteni, investigador del Museo Voltiano, explica que el físico italiano empleó materiales sencillos para realizar experimentos que lo llevaron a crear el electróforo, el eudiómetro y la lámpara de Volta, y a comprobar que el contacto entre dos metales con un conductor líquido generaba una corriente de energía. “En uno de sus experimentos, apiló sobre un pedazo de madera varios discos metálicos pequeños de plata y zinc que estaban separados entre sí por tela, cartón o piel, humedecidos con vinagre o agua salina. Los unió con un cable fino de cobre por el que circuló una energía que se manifestaba con chispas y pequeños destellos. Para sostenerlos, usó cuatro varillas de madera y añadió una tapa metálica. Así nació la primera pila de la historia”.
Y agrega: “el químico Giovanni Fabbroni escribió, en 1792, sobre una reacción que daba lugar a un fenómeno por oxidación del metal al contacto con el aire o la humedad; se cree que esta investigación pudo haber favorecido el invento de Volta o servirle como referencia».
¿Cuándo pasó de pila a batería?
El físico francés Gaston Planté (nacido en Orthez, en 1834) experimentó con electricidad, poniendo dos electrodos de plomo en una solución de ácido sulfúrico y luego aplicando un voltaje para conducir la corriente eléctrica por el electrolito. Esto oxidó uno de los electrodos, cambiando su potencial de extracción. De esta manera creó la celda de plomo-ácido. Su invención seguía el principio de la pila de Volta, pero con una ventaja: después de usada, la pila tenía la capacidad de ser cargada nuevamente. Esta creación es precursora de la celda húmeda.
En 1860, Planté presentó su sistema ante la Academia de Ciencias. Lo hizo en una caja con terminales conectadas en paralelo, que dio lugar al acumulador plomo-ácido. Tiempo después, junto con Camille Fauré, lo perfeccionó para utilizarlo en los autos como condensador de energía eléctrica. Esta fue la primera batería automotriz.
Esquema de una batería de litio
Finales del siglo XX, inicios del XXI: la era del litio
Aunque la tecnología para las baterías de litio fue desarrollada en los años 70, su gran expansión ocurrió cuando Sony las incluyó en sus dispositivos. Este tipo de batería ha logrado cuadriplicar su potencia, desde su salida al mercado en los años 90 hasta hoy, y sigue siendo la pila más usada.
El químico Stanley Whittingham, catedrático en la Universidad de Binghamton, es una figura clave en el desarrollo de este sistema. Él introdujo el concepto “intercalación” de electrodos. En 1970, descubrió una manera de hacer un electrodo con una capa que podía almacenar iones de litio en hojas de sulfuro de titanio. Con ello, los iones de litio podían ser transportados de un electrodo a otro. Así creó una batería recargable de larga duración, carga rápida y mayor densidad energética. Tenía una desventaja: ante una sobrecarga, podía explotar. Aquí entra otro importante personaje en el desarrollo de esta tecnología, John B. Goodenough, quien, en 1980, creó el cátodo de óxido de cobalto, conocido como el “corazón de las baterías de iones de litio”. Este material impide que el litio explote si se expone a temperaturas altas. A pesar de que las grandes empresas utilizan su invento, no se le ha reconocido la patente. Actualmente Goodenough tiene 92 años y trabaja en la Universidad de Texas para crear una batería automotriz más eficiente, barata y capaz de almacenar energía eólica y solar.
Benjamín Ruiz Loyola, catedrático de la Facultad de Química de la UNAM, comenta que la evolución de las pilas ha permitido hacerlas amigables con el medio ambiente: “hace 50 años, para que tuvieran un mayor rendimiento, se les adicionaba mercurio a fin de mejorar la transmisión de corriente, pero esto era contaminante y riesgoso”. Actualmente, en las baterías comerciales más comunes: C, D, A, AA, AAA, el mercurio se ha eliminado.
Los sistemas de almacenamiento vanguardistas de este siglo incluyen las celdas de hidrógeno, utilizadas en autobuses de transporte colectivo y naves espaciales. Se planea su aplicación futura en dispositivos electrónicos, electrodomésticos y en la mayoría de los automóviles. A diferencia de una pila convencional, en la celda de hidrógeno los reactivos se vierten desde un depósito externo y se lleva a cabo una reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno. Posee electrodos de carbón y una membrana de intercambio de protones en la que se produce agua y electricidad. Si bien no contamina, como una sola celda genera poca electricidad, se forman grupos de 45 para obtener mayor energía.
Esquema de una batería de flujo
EL futuro inmediato: las baterías de flujo
Si bien se les menciona en artículos científicos desde principios de los 90, las baterías de flujo han tenido auge en años recientes. ¿Cómo funcionan? Almacenan energía en fluidos químicos contenidos en tanques externos, en vez de estar en una “caja propia”. Su electrolito posee una alta densidad energética que brinda mayor autonomía y es menos inflamable. En este caso, el tamaño del tanque determina la cantidad de energía almacenada. Estas cualidades podrían, en el futuro, expandir su uso en autos, trenes y maquinaria.
El doctorando en Química por la Universidad de Harvard, Raúl Hernández, trabaja en la creación y perfeccionamiento de baterías de flujo, una tecnología que genera un gran interés, y afirma que su desarrollo ha ido a la par de las energías renovables. Para él, las baterías de hidrógeno no son la mejor opción. “Los tanques de hidrógeno presentan una dificultad para el almacenamiento, justo por la ligereza del hidrógeno. Para almacenar muy poco se requiere de un volumen muy grande”.
El almacenamiento energético es cada vez más indispensable para casi todas las actividades cotidianas y va más allá de su uso en los dispositivos. Es por ello que este ámbito tecnológico es terreno fértil para los avances científicos, las energías limpias, los nuevos mercados y los consumidores del futuro.