La misión está dedicada a fortalecer el eslabón débil del mundo tecnológico. Nuestros portátiles nunca fueron tan rápidos, los teléfonos móviles son más sofisticados que nunca y los automóviles eléctricos “enchufables” comienzan a ser una realidad. Pero las baterías no mantienen el ritmo. Los chips de los ordenadores duplican su velocidad cada dos años pero las baterías que permiten el funcionamiento de esos dispositivos mejoran a un ritmo de apenas el 8 por ciento anual. “Todos reclaman más electricidad”, agrega Michael Thackeray, experto en baterías del Laboratorio Nacional Argonne, y no sólo para dispositivos electrónicos. Muchos de los grandes imperativos sociales de la modernidad (reducir la dependencia del petróleo o “reverdecer” la red eléctrica con energía solar y eólica) estriban en la humilde batería, un artilugio ideado hace más de dos siglos y que ahora moviliza a la industria para reinventarlo.
Para Steve Jobs, la tarea ha sido excesivamente lenta. En 2007, el CEO de Apple postergó el lanzamiento del iPhone 3G porque consumía mucha electricidad, y cuando salió al mercado, en julio de 2008, el dispositivo era más esbelto y rápido que su predecesor. Pero el tiempo de comunicación es tres horas más breve debido a que la navegación web consume mucha de la capacidad. “Lo mantengo conectado todo el día en la oficina, envío un par de textos, uso Internet, tomo unas fotos y se acabó”, se lamenta Sara Beriting, gerente de una oficina de Cincinnati. “Me encanta la idea de tener tantas capacidades al alcance de mis dedos, pero todo tiene que funcionar con esa batería”.
El mercado mundial de baterías (unos 71.000 millones de dólares) se convirtió en semillero de innovaciones. Según informes de Dow Jones VentureSource, la afluencia de los capitales de inversión estadounidenses en el sector de desarrollo de baterías se elevó de 4,3 millones en 2002 a más de 200 millones en 2008, y grandes empresas, como General Electric y ExxonMobil, empiezan a invertir en el negocio. Por sí solo, el mercado de los automóviles híbridos-eléctricos ofrece, como potencial, quintuplicar su crecimiento para 2015, afirma el consultor Menahem Anderman. Dada la avalancha multimillonaria, la industria finalmente goza de una atención que no había tenido en muchas décadas.
Las baterías no evolucionarán con la rapidez de la informática, porque actúan mediante una reacción química sujeta a las leyes de la física y las limitaciones de la tabla periódica. Desde que el italiano Alessandro Volta concibió la idea, en el año 1800, las baterías generan electricidad partiendo del mismo principio básico: una reacción química controlada se desata dentro de una serie de celdas, cada una con un electrodo positivo y otro negativo divididos por un separador empapado en un conductor de electrolitos. Cuando se conecta la batería, los iones de carga positiva nadan del electrodo negativo al positivo y, luego, los electrones de carga negativa pasan por un circuito externo que crea la corriente eléctrica. Más tarde, en 1890, Thomas Edison invirtió el proceso y creó las primeras pilas recargables, utilizando níquel, y a partir de ese momento la comunidad científica mete mano a la química para incrementar el amperaje, creando baterías SLA (siglas en inglés de las pilas selladas de plomo-ácido) y de níquel-cadmio para impulsar los primeros portátiles, o NiMh (níquel-metal-hidruro), diseñadas para los autos híbridos.
La actual tecnología de punta de las baterías de iones de litio apareció en los teléfonos móviles tipo “ladrillo” de Sony, en 1991. El litio, el metal más ligero de la tabla periódica, introduce mucha más electricidad en una batería, pero tiene algunos inconvenientes, como su precio: hasta el momento, estas versiones cuestan más del doble que las de NiMh. No obstante, el litio-ión sigue siendo la química más nueva y “caliente”, quizá demasiado, pues al generar tanto voltaje en un receptáculo reducido, su reacción química puede sobrecalentar la pila y causar lo que los ingenieros denominan una “fuga térmica”, que los consumidores conocen como “pequeña explosión”.
Los temas de seguridad adquirieron relevancia hace dos años, cuando las laptop de Dell y otras marcas empezaron a incendiarse. Pregúntenle por ejemplo a Thomas Forqueran, extractor de oro de Kingman, Arizona, a quien el ordenador portátil se le prendió fuego dentro de su camioneta: el fuego se extendió al tanque de combustible y disparó las balas que tenía en la guantera. “Un par de accidentes graves podría dar pésima reputación a las nuevas baterías”, señala J. B. Straubel, jefe de tecnología de Tesla, compañía de autos eléctricos.
El laboratorio de investigación de Johnson Controls nos permite atisbar el futuro operado por baterías. Su línea de producción de iones de litio está aislada en una “habitación seca” con clima controlado. Mientras los técnicos mezclan infinidad de componentes químicos que aplican sobre delgadas láminas de cobre y enrollan en un horno de secado, monitores informatizados vigilan la humedad y el punto de rocío del salón. La humedad es un problema grave para la producción de baterías, pues contamina los productos químicos e incrementa el riesgo de fuga térmica. Así que no puede haber más de ocho personas trabajando al mismo tiempo, explica Jim Symanski, porque el exceso de vapor de agua exhalado podría dañar las baterías recién nacidas.
Mucho del entusiasmo que impera en Johnson gira en torno de una promesa: las baterías mejoradas podrán impulsar una generación de automóviles eléctricos más limpios y, a su vez, acabar con la dependencia estadounidense del petróleo importado. En una cochera en la parte posterior del laboratorio, la vicepresidenta Mary Ann Wright tiene un Ford Escape Hybrid enchufable que modificó cuando trabajaba para Ford. Al llegar a Johnson Controls, Wright y algunos colaboradores sustituyeron las baterías NiMh con pilas de iones de litio; las baterías originales pesaban casi 100 kilos, mientras que las nuevas poco más de la mitad y producían más electricidad. El resultado: su Escape modificado logra un kilometraje que hasta hoy no tiene comparación.
Otras empresas estadounidenses están logrando adelantos igual de importantes. En Watertown, Massachusetts, A123Systems recibió 148 millones de dólares de financiamiento para crear baterías avanzadas y hasta hoy, produce las recargables para herramientas Black&Decker, además de proporcionar la corriente para el Volt de GM; EnerDel, novato de Indianápolis, suministra baterías para los automóviles eléctricos Think en Europa; y, claro está, el gobierno estadounidense también quiere jugar: los laboratorios nacionales de Argonne y Oak Ridge tienen equipos que trabajan en baterías avanzadas. Entre tanto, los investigadores desarrollan nuevas combinaciones químicas y recurren a la nanotecnología para brindar mayor seguridad en las baterías de iones de litio y hacerlas más fiables. El inconveniente: muchas de esas tecnologías alternativas reducen el voltaje.
A pesar de sus esfuerzos, los fabricantes estadounidenses aún no compiten del todo a escala global. El entusiasmo del sector automotriz por los vehículos eléctricos se apagó hace una década, cuando el EV1 (de GM) fracasó en las pruebas. Desde entonces, Toyota y Honda dominan el mercado de híbridos, razón por la cual Asia lidera el mundo en producción de baterías para autos y aparatos electrónicos. La industria japonesa de las baterías empieza a consolidarse: Panasonic, proveedor de Toyota, negocia para adquirir el fabricante de baterías de Honda, Sanyo. Corea del Sur también demuestra destreza, igual que China, donde arman las baterías del iPhone.
Para reducir las emisiones de dióxido de carbono, los servicios públicos tendrán que desviar cada vez más capacidad de generación del carbón y el gas natural a energías renovables como la eólica y la solar, tanto termosolar como fotovoltaica. Las celdas solares fotovoltaica y los aerogeneradores eólicos requieren baterías porque proporcionan electricidad intermitente. Con objeto de almacenar electricidad en las instalaciones solares y eólicas, algunas empresas de servicios públicos están experimentando con baterías de Na-S (sodio-azufre) del tamaño de un tractor. En la medida en que los usuarios domésticos comiencen a instalar paneles solares y pequeños aerogeneradores eólicos, las empresas de servicios públicos intentarán reducir las dimensiones de sus superbaterías; pero por ahora, se necesita una batería del tamaño de un baño muy amplio para “desconectar” su casa de la red pública utilizando energía eólica o solar.
Hay quien confía en que pronto podrán superarse esos obstáculos. Semejante visión es en extremo seductora para Molinaroli, quien dirige el negocio de baterías de Johnson Controls, aunque hay que perdonar su cinismo. “En nuestro centro de tecnología, podría mostrarle proyectos de vehículos eléctricos concebidos hace 10, 20 ó 30 años”, informa. “Abundan los escépticos”. Pero esta vez, con miles de millones de dólares invertidos en él, quizá la economía impulsada por baterías por fin vea la luz.
Batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, se le denomina al dispositivo que almacena energía eléctrica usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga.
El término pila, en castellano, denomina los generadores de electricidad no recargables. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas — en el primer caso uno encima de otro, "apilados", y en el segundo, adosados lateralmente, "en batería", como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. De esta explicación se desprende que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier tipo, pero la costumbre ha fijado la distinción. Ahora tambien existen pilas recargables, que se pueden recargar y volver a usar.
Historia
Alessandro Volta comunica su invento de la pila a la Royal London Society, el 20 de marzo de 1800.
Johann Wilhelm Ritter construyó su acumulador eléctrico en 1803. Como muchos otros que le siguieron, era un prototipo teórico y experimental, sin posible aplicación práctica.
En 1860, Gaston Planté construyó el primer modelo de acumulador de plomo-ácido con pretensiones de ser un aparato utilizable, lo que no era más que muy relativamente, por lo que no tuvo éxito. A finales del siglo XIX, sin embargo, la electricidad se iba convirtiendo rápidamente en artículo cotidiano, y cuando Planté volvió a explicar públicamente las características de su acumulador, en 1879, tuvo una acogida mucho mejor, de modo que comenzó a ser fabricado y utilizado casi inmediatamente, iniciándose un intenso y continuado proceso de desarrollo para perfeccionarlo y soslayar sus deficiencias, proceso que dura hasta nuestros días.
Thomas Alva Edison inventó, en 1900, otro tipo de acumulador con electrodos de hierro y níquel, cuyo electrolito es la potasa cáustica (KOH). Empezaron a comercializarse en 1908, y son la base de los actuales modelos alcalinos, ya sean recargables o no.
También hacia 1900, en Suecia, Junger y Berg inventaron el acumulador Ni-Cd, que utiliza ánodos de cadmio en vez de hierro, siendo muy parecido al de ferroníquel en las restantes características.
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Electric storage is the weak link in a high-tech world. Fixing it could improve our lives—and the planet.
The energizer bunny is nowhere to be found inside the suburban Milwaukee research lab run by Johnson Controls. But all around the facility, behind signs marked DANGER: HIGH VOLTAGE, blue-coated workers are torturing a new generation of batteries, testing whether they, like the fuzzy commercial icon, can keep going … and going. In one building, this work is done inside hulking Thermotron machines, which look like extras from the movie "Monsters, Inc."
Nesting inside are lithium-ion batteries being repeatedly cooled to 40 below zero, heated to 185 above and run continuously to mimic 150,000 miles of driving in an electric car. Today most of this business’s revenue comes from old-fashioned car batteries. But here in the research lab, there’s an urgent focus on perfecting these next-generation models. "Up until now, this has been a science project," says Alex Molinaroli, the unit’s president. "What’s changed is, this is moving to a much larger strategic issue for our industry, for our country and for the planet."
It’s a mission that’s focused on the weak link in our high-tech world. Think about it: our laptops have never been faster, our cell phones never fancier, and plug-in electric cars are just around the corner. But batteries are not keeping up. Computer chips double in speed every two years—your current BlackBerry is as powerful as your desktop computer once was—but the batteries powering those devices are improving by only about 8 percent a year. "Everybody is screaming for more power," says Michael Thackeray, a battery expert with Argonne National Laboratory. It’s not just about gadgets. Many of today’s big social imperatives—like reducing our dependence on foreign oil, or greening the electric grid with solar and wind power—depend on the humble battery, a device invented two centuries ago. And across the country, an industry is working to reinvent it.
For Steve Jobs, it can’t happen too soon. In 2007 Jobs delayed the launch of the iPhone 3G because it was such a "power hog." When it finally arrived this summer, it was slimmer and faster than its predecessor. Still, talk time is three hours shorter because cruising the Web sucks so much juice. Customers are complaining. "I keep it plugged in all day at work, but I get home, send out a couple texts, use the Internet, take some pictures and it’s dead," says Cincinnati office manager Sara Beiting. "I love having so much at my fingertips, but they’ve got to work on that battery." (An Apple spokeswoman says its battery life is competitive with that of similar devices and that consumer reaction to the phone has been overwhelmingly positive.)
The good news is complaints like that signal a big opportunity. The world’s $71 billion battery market, once an old-tech backwater, is becoming a hothouse for innovation. The flow of U.S. venture-capital dollars into battery development has grown from $4.3 million in 2002 to more than $200 million this year, according to Dow Jones VentureSource. Even major players like General Electric and ExxonMobil are investing in the battery business. The hybrid- and electric-car-battery market alone is on course to grow nearly fivefold by 2015, to $3.7 billion, according to consultant Menahem Anderman. With billions pouring in, the industry now has the most attention it’s seen in decades.
Batteries still won’t evolve as quickly as computer-based technologies. The reason: a battery is based on a chemical reaction, which is limited by the laws of physics and the periodic table. Since Italy’s Alessandro Volta first came up with the idea in 1800, batteries have generated electricity using the same basic principle. A controlled chemical reaction takes place inside a series of cells, each of which has a negative and positive electrode, divided by a separator soaked in conductive electrolyte. When the battery is hooked up, positively charged ions swim from the negative to the positive electrode, and then negatively charged electrons pass through an external circuit, creating electric current. In 1890, Thomas Edison reversed this process and created the first rechargeable nickel-based batteries. Since then, scientists have tinkered with the chemistry to amp up the energy, creating lead-acid to start cars, nickel-cadmium to fire up early laptops and nickel-metal-hydride to power the Prius and other hybrid cars.
Today’s cutting-edge lithium-ion batteries first showed up on Sony’s brick-size cell phones in 1991. Lithium, the lightest metal on the periodic table, packs a lot of energy into a lightweight battery, but it has its downsides. Price is one of them: lithium-ion batteries currently cost twice as much as nickel-metal-hydride, which is why GM says its plug-in Chevy Volt could cost nearly $40,000 when it hits the streets in late 2010. Still, lithium-ion remains the hot new battery chemistry—maybe too hot. By generating so much voltage in a small space, lithium-ion’s chemical reaction can overheat and create what the engineers call "thermal runaway"—a phenomenon consumers call a "small explosion."
The safety issues first gained notice two years ago, when laptops from Dell and other brands began catching fire. Thomas Forqueran, a gold miner in Kingman, Ariz., watched his laptop combust inside his pickup truck, igniting the truck’s gas tank and the shotgun shells in his glove box. "We saw flames 5, 6, 10 feet shooting out of the passenger window," says Forqueran. Those safety problems led to recalls, so researchers are proceeding gingerly before installing next-gen batteries in devices we keep in our garages and pockets. "A couple bad accidents could give [new batteries] a black eye very easily," says J. B. Straubel, technology chief at Tesla, the electric-car company.
For a look into what the battery-powered future might hold, however, the Johnson Controls research lab is a good place to start. The company’s lithium-ion production line is sealed off in a climate controlled "dry room." While technicians mix a slurry of chemicals that are applied to thin sheets of copper and rolled through a drying oven, a computer monitors the room’s humidity and dew point. Moisture is a big problem in battery making—it can contaminate the chemicals and increase risks of a thermal runaway. No more than eight workers are allowed in the room at a time, says battery engineer Jim Symanski, because too much exhaled water vapor could harm these newborn batteries.
At Johnson, much of the excitement revolves around the promise of how better batteries could fuel a new generation of cleaner cars, which could help reduce America’s dependence on foreign oil. In a garage off the back of the lab, senior VP Mary Ann Wright keeps a Ford Escape Hybrid, which she engineered while working at Ford. When she arrived at Johnson Controls, she and some co-workers replaced its nickel-metal-hydride batteries with lithium-ion. The old batteries weighed 192 pounds versus 130 pounds for the new ones, which yield more power. The result: her jury-rigged Escape gets off-the-charts mileage. Prius owners who’ve done plug in lithium-ion conversions say they get 80mpg, and some analysts believe GM’s Volt could break 100mpg.
There’s groundbreaking research happening inside other U.S. companies as well. In Watertown, Mass., A123Systems has received $148 million in venture funding to create advanced batteries. It already makes rechargeable batteries for Black & Decker tools and is in the running to power GM’s Volt. EnerDel, an Indianapolis startup, is supplying batteries to Think electric cars in Europe. The government plays a role too: both Argonne and Oak Ridge national laboratories have teams working on advanced batteries. Researchers are coming up with new chemistries and employing nanotechnology to make lithium-ion safer and more reliable. A123’s battery, for example, employs nanophosphate technology that helps prevent thermal runaway and improve battery life. The trade-off: many of these alternative chemistries also lower the battery’s voltage.
Despite their work, the U.S. battery makers don’t stack up well globally. U.S. automakers’ enthusiasm for electric vehicles died a decade ago, when GM’s allelectric EV1 proved to be a flop. Since then Toyota and Honda have come to dominate the hybrid-car market, which is why Asia leads the world in advanced-battery production, for both cars and gadgets. "The U.S. missed out on a great deal of the advanced-battery business over the last 10 years," says A123’s CEO, Dave Vieau. "The next 10 years will see a significant increase in battery use, and it would be a mistake for us not to participate in that." While U.S. battery makers play catch-up, the Japanese battery industry is consolidating: Panasonic, Toyota’s battery supplier, is in talks to acquire Sanyo, Honda’s battery maker. South Korea has also demonstrated battery savvy, as does China, where the iPhone batteries are assembled. For some observers, this is a cause for concern. "Are we trading our dependence on foreign oil for a dependence on batteries built in foreign countries?" asks Chrysler vice chairman Jim Press.
It’s an issue that goes beyond cars and mobile devices. To reduce carbon emissions, utilities are likely to shift more generating capacity from coal and natural gas to renewable sources like wind and solar. Solar cells and wind turbines require batteries because they provide power intermittently. The wind, for example, blows hardest at night when our energy needs are low, so storing that energy is essential to what utility companies call "load leveling."
To store energy generated by giant solar and wind installations, some utilities are experimenting with sodium-sulfur batteries that are the size of tractor-trailers. As more homeowners put solar panels on the roof and wind turbines in the backyard, utilities are trying to scale down these superbatteries; right now, however, it would require a battery the size of a nice bathroom to take your home "off the grid" with wind and solar power. Researchers are looking into thin-film batteries, but they’re costly and hard to mass-produce.
Optimists are confident that those challenges can be overcome. They envision a day when your electric car helps store the power generated by your rooftop solar panels, with many homeowners selling homegrown electricity back to the utility companies over the grid. This vision of energy nirvana sounds great to Molinaroli, who runs Johnson Controls’ battery business, but you’ll excuse him if he’s a bit jaded. "If you went behind the curtain at our tech center, you could probably find electric-vehicle projects from 10 years ago, 20 years ago, 30 years ago," he says. "There’s a lot of skepticism." But this time, with billions riding on battery breakthroughs, there’s hope the electric economy might finally come to light.
www.mpoweruk.com/chemistries.htm
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giantbatteryco.com/GLOSSARY/Glossary-Industrial.Batteries.html
