Si darrerament heu mirat al calaix d’utilitat, potser haureu notat les diverses formes, mides i tipus de bateries que alimenten els vostres dispositius electrònics. En primer lloc, hi ha les cel·les de botó rotundes i no recarregables per als rellotges i els elements petits. També hi ha les populars bateries cilíndriques AA i AAA per a calculadores, rellotges i comandaments a distància. A continuació, teniu les bateries recarregables d’ions de liti als vostres ordinadors portàtils i telèfons. I no us oblideu de la bateria de plom-àcid al cotxe.
Les primeres bateries es van fer a la dècada del 1800 i eren força senzilles. Una de les primeres demostracions va ser una sèrie de discos metàl·lics xopats a la salmorra, que el científic italià Alessandro Volta va trobar va crear un corrent elèctric. La primera bateria de plom-àcid es va fer d’unes quantes peces de plom en un pot d’àcid sulfúric. Les versions modernes no són tan diferents. Són més fàcils de fabricar i contenir diversos additius per millorar el rendiment.
En tots els casos, les bateries funcionen de la mateixa manera: una diferència de tensió entre dos elèctrodes diferents produeix un corrent elèctric, que es pot descarregar per alimentar un dispositiu. Les bateries recarregables poden revertir aquest corrent per carregar -lo. A l’interior de la bateria, el corrent elèctric s’acompanya del flux d’ions a través d’un líquid, l’electròlit.
El pas de cada electró del corrent s’acompanya del transport d’un ió a través de l’electròlit. Els elèctrodes que poden emmagatzemar més ions condueixen a bateries que poden tenir més càrrega i, per tant, durar més amb una sola càrrega. Els elèctrodes dissenyats per a emmagatzematge d’ions més ràpids condueixen a bateries que poden descarregar-se més ràpidament, per a aplicacions d’alta potència. Finalment, poder carregar i descarregar moltes vegades sense degradar condueix a bateries amb llargues vides.
Bateries de plom-àcid
La bateria de plom-àcid va ser la primera bateria recarregable inventada el 1859 per Gaston Plante, que va experimentar amb plaques de plom en una solució àcida i va trobar que es podia revertir el flux i l'emmagatzematge del corrent elèctric.
Una bateria de plom-àcid ha de ser prou gran com per proporcionar una càrrega suficient per iniciar un cotxe. També ha de ser utilitzable en climes freds i durar molts anys. Com que l’electròlit és un àcid corrosiu, la carcassa externa ha de ser difícil per protegir les persones i les parts del cotxe de qualsevol possible dany. Sabent tot això, té sentit que les bateries modernes de plom-àcid siguin bloquejades i pesades.
Bateries alcalines
D'altra banda, els dispositius domèstics com les calculadores i les escales digitals es poden permetre utilitzar bateries més petites perquè no requereixen gaire càrrec. Es tracta principalment de bateries alcalines que no es poden recular durant dècades. Les mides de cèl·lules estandarditzades són AAAA, AAA, AA, C i D, així com cèl·lules de botons i monedes i moltes altres. Les mides estan relacionades amb la quantitat de càrrega que emmagatzemen, com més gran sigui la bateria, més queda, i les mides dels dispositius que alimenten.
De vegades, és possible que trobeu bateries alcalines que es venen en formes rectangulars, com les bateries comunes 9- volt, però obriu la carcassa exterior i trobareu que són simplement algunes cèl·lules cilíndriques connectades entre dins. Les bateries cilíndriques han estat durant tant de temps i han utilitzat tan àmpliament que no té sentit que les empreses fabriquin res diferents; requeriria una inversió per canviar les seves instal·lacions de fabricació, cosa que preferirien no fer.
Bateries d'ions de liti
Les bateries de níquel-cadmi van ser les primeres bateries recarregables àmpliament utilitzades per a l'electrònica domèstica i van ser populars fins a finals del segle XX. Però tenien els seus entrebancs. El cadmi és molt tòxic i les bateries patien un "efecte de memòria", que va disminuir la seva vida.
Durant moltes dècades, es va estudiar liti per a un ús potencial en bateries recarregables per les seves propietats úniques com a metall lleuger que emmagatzema molta energia. Sony va comercialitzar la bateria d’ions de liti el 1991.
La companyia va fer cèl·lules cilíndriques perquè eren les més fàcils de fabricar. A la dècada de 1990, Sony feia moltes càmeres de vídeo i cintes i, per tant, tenia molts equips per a la fabricació de rodons. Era natural reaparèixer aquest equip per produir rotllos d’elèctrodes de bateries, que es fan llançant pel·lícules en fulls de coure o alumini i després enrotllant -los en un cilindre de “gelea”.
La carcassa gruixuda d’aquestes cèl·lules cilíndriques és mecànicament forta i per afegir una altra capa de seguretat té una vàlvula d’alleujament de pressió. Molt ràpidament, aquestes cèl·lules primerenques d’ions de liti es van fer càrrec del mercat d’electrònica portàtil, especialment per a ordinadors portàtils i telèfons mòbils, perquè emmagatzemaven més energia i van durar més que les bateries recarregables de níquel-cadmi.
Factors que configuren les bateries
Les bateries es fabriquen en determinades mides i formes per raons de cost i fabricació, però en altres casos a causa dels processos de fabricació heretats. La demanda del mercat també té un paper.
Per exemple, els vehicles elèctrics no es van enlairar fins que Tesla va començar a fer cotxes mitjançant cèl·lules de bateries d’ions de liti cilíndrics en lloc de la bossa rectangular o les cèl·lules prismàtiques que han utilitzat altres fabricants d’events. Les bosses i les cèl·lules prismàtiques es poden embalar estretament, però com que les cèl·lules cilíndriques ja s’estaven produint en massa per a l’electrònica portàtil, Tesla va poder fer EV de baix cost als anys 2010.
Les formes i les mides que prendran les bateries en el futur depèn no només de la quantitat d’energia que emmagatzemi, sinó també de l’economia de mercat, el fàcil que és fer cada tipus de cèl·lula, quant costa fer -les i per a què s’utilitzen. I aquests factors són una combinació d’innovació i història.