UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO FACULTAD DE INGENIERÍA MECATRÓNICA, ELECTRÓNICA Y BIOMÉDICA Ingeniería Biomédica Materiales de las Baterías para Smartphone Mariana Santacruz Villamarin [email protected] PhD. José Luis Narváez. La batería es un almacenador electroquímico, transforma la energía química en eléctrica, liberando corriente continua de forma controlada. [1] Elementos de una Batería: • Celdas con dos polos, uno positivo, llamado cátodo, y otro negativo, llamado ánodo. [1] • Separador. [1] • Un electrolito conductor. [1] Funcionamiento de una Batería: La batería funciona gracias a una reacción electroquímica de reducción y oxidación (redox). Esta reacción consiste en un intercambio de electrones entre los dos polos de la batería, lo que genera la transferencia de energía y la oxidación de los materiales, mientras el ánodo se oxida al liberar electrones, el cátodo se reduce al ganarlos. [1] Tipos de Batería para Celular: 1. Batería de Niquel-Cadmio (NiCd): en un inicio las baterías para celular eran fabricadas con Niquel-Cadmio, esto debido a: • El níquel además de ser un buen conductor eléctrico es ideal para ser el cátodo ya que tiene un alto potencial de electrodo, por su parte el cadmio tiene un bajo potencial de electrodo, por lo cual actúa como ánodo. [2] • Alta Densidad Energética: capacidad para almacenar energía en un tamaño compacto. [2] • Baja Impedancia Interna: tienen baja resistencia interna, lo cual permite suministrar altas corrientes en períodos de tiempo relativamente cortos. [2] • Durabilidad: tienen una larga vida útil, soporta varios ciclos de carga y descarga (mayor a 1000 ciclos), además de cargas prolongadas. [2] • Rendimiento a Bajas Temperatura: su funcionabilidad cambia poco a exponerse a bajas temperaturas. [2] Fueron reemplazadas porque: • Efecto memoria: perdida de la capacidad de las baterías cuando se cargan sin haber sido completamente descargadas. Este fenómeno provoca la formación de cristales en el interior de las baterías, resultado de una reacción química que se produce cuando la batería se calienta y descargue a los pocos minutos de uso. [3] • Contaminación: el cadmio es un material perjudicial para el medio ambiente. [4] 2. Batería de Hidruro de Níquel-Metal (NiMH): son recargables, pero tienden a ser más voluminosas y pesadas. • El Hidruro metálico tiene la capacidad de absorber y liberar hidrógeno, durante la carga se almacena en el ánodo y en la descarga se libera en forma de iones, reaccionando con el níquel en el cátodo. [5] • Alta Densidad Energética: almacenan gran cantidad de energía ocupando poco espacio. [5] • Mayor Capacidad: dos a tres veces más capacidad que las baterías de Niquel-Cadmio, permitiendo mayor uso entre cargas. [5] • Buena Tolerancia a Descargas Profundas: es capaz de soportar descargas totales sin sufrir daños. [6] • Recarga Rápida: se recargan rápidamente, propiedad útil cuando se requiere tiempos de inactividad mínimos. [6] 3. Baterías de Iones de Litio: baterías con alta demanda en el mercado actualmente. El óxido de litio-cobalto (o cualquier otro metal de transición) se utiliza como electrodo positivo en las baterías, mientras que el electrodo negativo está hecho de carbono en forma de grafito, recubiertos por una carcasa de aluminio. [7] Se ha decido fabricar baterías de litio por las ventajas que ofrece dicho material, entre ellas se encuentran: • Material ligero: el litio es el metal más ligero, lo que contribuye a que las baterías sean más ligeras.[8] • Alta Densidad Energética. [8] • Baja Tasa de Autodescarga: pierden poca energía cuando no están en uso. [8] • Alta Eficiencia de Carga/Descarga: efectivas para utilizarse en dispositivo de uso frecuente. [8] • Flexibilidad en el Diseño: pueden fabricarse en una variedad de formas y tamaños. [8] • Estabilidad química y térmica. [8] 4. Baterías de Polímeros de Litio: son similares a las de iones de litio, pero tienen una forma más plana y delgada. Esto les permite adaptarse a diseños de dispositivos más delgados y ligeros, sin embargo, son propensas a explotar o incendiarse, debido a su alta capacidad de descarga de corriente. [9] [10] 5. Baterías de Grafeno: tecnología emergente cuyo propósito es mejorar la duración de la batería, reducir el tiempo de carga y prolongar la vida útil. [11] El grafeno es una opción viable para la fabricación de baterías ya que presenta algunas características favorables como lo son: • Alta Conductividad Eléctrica y Térmica: el grafeno es un excelente conductor, facilitando la carga y descarga más rápida de las baterías, logrando que el teléfono se cargue en menor tiempo del esperado (20 minutos). [12] • Alta Densidad Energética: el grafeno tiene una estructura de panal, lo que le proporciona una alta superficie específica, aumentando la capacidad de almacenar energía en un tamaño compacto. [13] • Flexibilidad y Ligereza: aunque es un material fuerte, el grafeno es extremadamente ligero y flexible, lo que permite diseñar baterías más delgadas y ligeras sin comprometer la capacidad. [14] • Larga Vida Útil: el grafeno es resistente a la degradación, por lo cual las baterías de grafeno tienen una vida útil prolongada. [13] • Estabilidad Química: el grafeno es químicamente inerte, lo que reduce el riesgo de reacciones no deseadas dentro de la batería y mejora la seguridad. [12] 6. Baterías de Silicio y Carbono: proponen reemplazar el ánodo de grafito de las baterías de litio por uno de silicio, lo que permite almacenar hasta diez veces más carga, gracias a la capacidad del silicio de enlazarse con cuatro iones de litio. Esto mejora la eficiencia, capacidad (almacenamiento de energía) y vida útil de las baterías de iones de litio. [15] Los beneficios de las baterías de Silicio y Carbono radican en: • Alta densidad energética, lo que significa que se puede adelgazar el dispositivo sin alterar el funcionamiento de la batería o aumentar la capacidad de esta sin ocupar mayor espacio. [16] • El carbono mejora la conductividad eléctrica del ánodo, lo que permite una carga y descarga más rápida de la batería. [16] • El silicio se contrae y se expande durante los ciclos de carga y descarga, sin embargo, el carbono ayuda a mitigar este problema al proporcionar una estructura más estable. • El carbono es químicamente inerte, lo que reduce el riesgo de reacciones no deseadas dentro de la batería y mejora la seguridad de la batería, ya que su estructura poco inestable por lo que se reduce la posibilidad de explosión. [15] I. REFERENCIAS [1 «ferrovial,» [En línea]. Available: https://www.ferrovial.com/es/stem/bateria/. [Último acceso: 23 08 2024]. ] [2 «Electro Daddy,» [En línea]. Available: https://electrodaddy.com/baterias-de-niquel-cadmio-nicd/. [Último acceso: 23 08 ] 2024]. [3 «Wikipedia,» 12 06 2022. [En línea]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_memoria. [Último acceso: 23 08 ] 2024]. [4 «Wikipedia,» 19 06 2023. [En línea]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_de_n%C3%ADquel] cadmio. [Último acceso: 23 08 2024]. [5 Panasonic, «Nickel Metal Hydride Batteries,» [En línea]. Available: https://tayloredge.com/reference/Batteries/Ni] MH_Overview.pdf. [Último acceso: 23 08 2024]. [6 «MERK,» [En línea]. Available: https://www.sigmaaldrich.com/CO/es/technical-documents/technical-article/materials] science-and-engineering/batteries-supercapacitors-and-fuel-cells/metal-hydrides-nimh-batteries. [Último acceso: 23 08 2024]. [7 «Hive Bolg,» [En línea]. 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