¿Qué elemento se utiliza en las baterías? Las baterías alimentan casi todo lo que usamos hoy en día: desde teléfonos inteligentes y ordenadores portátiles hasta vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento en red a gran escala. Pero, ¿alguna vez te has parado a pensar qué elementos hacen que una batería funcione realmente? ¿Qué es lo que realmente en esa caja que le permite almacenar y liberar energía siempre que lo necesite?
Cuando se comprende la composición química de las pilas, no sólo se satisface la curiosidad, sino que se adquieren conocimientos sobre su rendimiento, seguridad y los verdaderos retos de sostenibilidad que plantean.
Esta guía explora los elementos clave que componen los distintos tipos de baterías, por qué son importantes estos materiales específicos, cómo influyen en el funcionamiento y la seguridad de las baterías y qué alternativas desarrollan ahora los científicos para el futuro almacenamiento de energía. Si quiere saber no sólo lo que hay dentro pero por qué esos materiales importan, te espera una lectura útil.
batería de iones de sodio de 12v 200ah
Batería de sodio doméstica Kamada Power de 10 kWh
¿Cuáles son los elementos clave de las pilas?
Las pilas almacenan energía químicamente y la liberan en forma de electricidad mediante reacciones electroquímicas entre dos electrodos -ánodo y cátodo- con un electrolito intermedio. Pero la cuestión es que elementos que forman esos electrodos determinan totalmente el funcionamiento de la pila.
Entonces, ¿qué elementos suelen utilizar las baterías actuales? Estos son los que más aparecen:
- Litio (Li): Ésta es la estrella de las baterías de iones de litio. Es superligera y contiene mucha energía por gramo.
- Plomo (Pb): Lo encontrarás en las baterías de plomo-ácido más antiguas, que suelen utilizarse en coches o en sistemas de alimentación de reserva.
- Níquel (Ni): Este metal aumenta la vida útil y la durabilidad de las pilas de NiCd y NiMH.
- Cobalto (Co): Estabiliza muchos cátodos de iones de litio y aumenta su energía, pero tiene un coste.
- Manganeso (Mn): Ayuda a reducir costes y hace que las baterías de litio sean más seguras.
- Cadmio (Cd): Antaño popular en las pilas de NiCd, ahora se evita porque es tóxico.
- Zinc (Zn): Es barato y seguro, y se utiliza habitualmente en pilas alcalinas y de zinc-aire.
- Grafito (C): Constituye el ánodo principal de las baterías de iones de litio.
- Azufre (S): Un nuevo material catódico para baterías de litio-azufre, con gran potencial energético.
- Sodio (Na): A los investigadores les gusta éste para las baterías de iones de sodio. Está en todas partes y cuesta menos.
Cada uno de esos elementos desempeña un papel muy específico en el rendimiento de una batería, su duración, su seguridad y su coste. Las elecciones no son aleatorias, sino estratégicas.
Tabla 1: Elementos comunes de las pilas y sus propiedades clave
| Elemento | Tipos de pilas | Principales ventajas | Principales preocupaciones |
|---|
| Litio | Ión de litio | Alta densidad energética, ligereza | Minería ética, coste |
| Plomo | Plomo-ácido | Bajo coste, alta corriente de choque | Pesado, tóxico |
| Níquel | NiCd, NiMH | Duradero, buen ciclo de vida | Toxicidad (Cd en NiCd), coste |
| Cobalto | Cátodos de iones de litio | Estabiliza el cátodo, la energía | Coste elevado, problemas éticos |
| Manganeso | Cátodos de iones de litio | Seguridad, reducción de costes | Densidad energética moderada |
| Cadmio | NiCd | Duradero | Altamente tóxico |
| Zinc | Alcalino, Zinc-aire | Barato, seguro | Recargabilidad limitada |
| Grafito | Ánodos de iones de litio | Intercalación estable de litio | Capacidad limitada |
| Azufre | Litio-azufre | Energía teórica muy elevada | Cuestiones relativas al ciclo de vida |
| Sodio | Iones de sodio | Abundante, bajo coste | Menor densidad energética |
Los distintos tipos de pilas utilizan elementos diferentes
La química de las baterías cambia con cada caso de uso, en función del coste, la demanda de energía y las necesidades de rendimiento. Repasemos los tipos más comunes y los elementos que las componen:
1. Baterías de iones de litio (Li-ion)
Elementos implicados: Litio, cobalto, níquel, manganeso, grafito
Actualmente se utilizan baterías de iones de litio en todo tipo de aparatos, desde teléfonos hasta vehículos eléctricos, principalmente porque ofrecen una alta densidad energética (150-250 Wh/kg) y un buen ciclo de vida. Los iones de litio se mueven entre un ánodo de grafito y un cátodo fabricado con materiales como óxido de litio y cobalto (LiCoO₂), óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) o fosfato de litio y hierro (LFP).
- El cobalto ayuda a estabilizar el cátodo, aunque plantea problemas de costes y de derechos humanos.
- El níquel aumenta la capacidad y el almacenamiento de energía.
- El manganeso mejora la seguridad al aumentar la resistencia al calor.
- El grafito actúa como base estable para los iones de litio durante la carga.
Aunque estas combinaciones funcionan bien, la industria intenta ahora reducir el uso de cobalto tanto por costes como por ética.
2. Baterías de plomo-ácido
Elementos implicados: Plomo, ácido sulfúrico
La gente sigue confiando en las baterías de plomo-ácido para arrancar los motores de los coches y alimentar los sistemas de emergencia, sobre todo porque son baratas y fiables. El cátodo utiliza dióxido de plomo y el ánodo, plomo esponjoso en ácido sulfúrico.
A pesar de su antigüedad, los usuarios se quedan con ellas por lo reciclables y asequibles que son.
3. Pilas de níquel-cadmio (NiCd)
Elementos implicados: Níquel, Cadmio
Las pilas de NiCd pueden durar mucho tiempo y soportar un uso duro, pero la toxicidad del cadmio las hace nocivas. Por eso, la mayoría de las industrias las están abandonando poco a poco.
Elementos implicados: Níquel, Metales de tierras raras
Las pilas de NiMH sustituyeron a las de NiCd en muchos aparatos electrónicos e híbridos. Son más seguras y ecológicas, ya que utilizan electrodos de hidróxido de níquel e hidruro metálico.
5. Pilas alcalinas
Elementos implicados: Zinc, dióxido de manganeso
Son las pilas que se utilizan para mandos a distancia y linternas. Utilizan un ánodo de zinc, un cátodo de manganeso e hidróxido de potasio como electrolito. La gente las prefiere por su duración y su precio.
Cuadro 2: Comparación de los principales tipos de baterías y sus parámetros clave
| Tipo de batería | Densidad energética (Wh/kg) | Ciclo de vida (ciclos) | Coste | Impacto medioambiental |
|---|
| Iones de litio | 150-250 | 500-2000 | Alta | Moderado, preocupaciones éticas |
| Plomo-ácido | 30-50 | 200-500 | Bajo | Metales tóxicos, reciclables |
| Níquel-Cadmio | 45-80 | 1000-2000 | Medio | Cadmio tóxico |
| Hidruro de níquel-metal | 60-120 | 500-1000 | Medio | Más seguro que el NiCd |
| Alcalino | 100-150 (sin recarga) | N/A | Bajo | Desechable, reciclaje limitado |
¿Por qué se eligen estos elementos?
Los fabricantes de baterías eligen los elementos en función de varias razones que se solapan:
- Comportamiento electroquímico: Los elementos necesitan potenciales redox favorables para funcionar. La baja masa y la alta reactividad del litio lo hacen ideal para ello.
- Almacenamiento de energía: Algunos materiales retienen más jugo que otros. El litio y el níquel están a la cabeza.
- Estabilidad: Las baterías deben soportar el calor, el frío y el estrés químico sin estropearse ni provocar incendios.
- Precio y disponibilidad: Cuanto más abundante es un elemento, menos cuesta construir baterías con él.
- Seguridad y ética: Algunos elementos como el cadmio o el cobalto plantean problemas sanitarios y laborales, por lo que las empresas intentan ahora sustituirlos.
Por ejemplo, aunque el cobalto mejora la energía y la estructura de las baterías, su coste y sus problemas de extracción lo hacen menos atractivo de cara al futuro.
Cada elemento cambia el funcionamiento de la batería en la vida real:
Densidad energética y capacidad
- Las baterías ricas en níquel pueden superar los 250 Wh/kg, lo que resulta ideal para los vehículos eléctricos de larga autonomía.
- Las baterías de plomo-ácido ofrecen una densidad energética mucho menor, pero funcionan bien para usos a corto plazo o de alto amperaje.
Tasas de carga/descarga
- El cobalto y el níquel permiten una carga rápida y un rendimiento estable.
- Los ánodos de grafito permiten que el litio entre y salga rápidamente, lo que mejora el tiempo de carga.
Seguridad y resistencia al calor
- Las químicas de manganeso y LFP hacen que las pilas sean más resistentes al fuego.
- El plomo y el cadmio se manipulan con cuidado debido a sus efectos tóxicos sobre las personas y el medio ambiente.
Toxicidad y residuos
- Elementos como el cadmio y el plomo son peligrosos si no se eliminan correctamente.
- El reciclaje de baterías de iones de litio está mejorando, lo que ayuda a recuperar metales y reducir el impacto en los vertederos.
Preocupaciones medioambientales y éticas de los elementos de las pilas
La obtención de determinados materiales para baterías implica algo más que desenterrarlos:
- Cobalto de la RDC se ha relacionado con condiciones de trabajo inseguras y trabajo infantil.
- Minería del litio en lugares secos afecta al suministro de agua y a las comunidades.
- El níquel y los metales de tierras raras plantean retos geopolíticos y para la cadena de suministro.
- La tecnología del reciclado sigue por detrás de la demanda, pero es esencial para el futuro.
Los gobiernos, especialmente en la UE, presionan ahora a los fabricantes de baterías para que adopten prácticas circulares y de abastecimiento más limpias.
Elementos alternativos emergentes en las baterías de nueva generación
Para resolver los problemas actuales de costes, ética y abastecimiento, los investigadores buscan nuevas opciones:
Pilas de iones de sodio
El sodio cuesta menos y es más fácil de conseguir que el litio. Estos baterías de iones de sodio puede que no contengan tanta energía (100-160 Wh/kg), pero podrían funcionar bien para grandes instalaciones de almacenamiento.
Baterías de litio-azufre
Éstas prometen hasta más de 400 Wh/kg utilizando azufre, que es barato y abundante. Pero las baterías de azufre pierden capacidad con el tiempo.
Baterías de grafeno
Al añadir grafeno, estas baterías se cargan más rápido y duran más, aunque su fabricación sigue siendo cara.
Baterías de estado sólido
En lugar de líquido, utilizan electrolitos sólidos, lo que las hace más seguras y más densas en energía.
Pilas de zinc
Son baratas, no tóxicas y fáciles de reciclar. Las pilas de zinc-aire podrían alimentar hogares y redes eléctricas en un futuro próximo.
Pilas sin cobalto
Las baterías que utilizan LFP o productos químicos con alto contenido en níquel evitan por completo el cobalto, lo que contribuye a reducir los costes y mejorar la seguridad.
Pilas de hierro-aire
Utilizando hierro y aire, pretenden proporcionar un almacenamiento duradero a un coste ultrabajo. Pero necesitan mayor capacidad de recarga y densidad energética.
Cuadro 3: Nuevas tecnologías de baterías y su potencial
| Tipo de batería | Densidad energética teórica (Wh/kg) | Principales ventajas | Principales retos |
|---|
| Iones de sodio | 100-160 | Bajo coste, recursos abundantes | Menor densidad energética |
| Litio-azufre | 400+ | Muy alta densidad energética | Ciclo de vida, desplazamiento de polisulfuro |
| Li mejorado con grafeno | 250+ | Carga rápida, ciclo de vida largo | Complejidad de la fabricación |
| Estado sólido | 300-500 | Alta seguridad, densidad energética | Escalabilidad, coste |
| Zinc-Aire | 300-400 | Seguro, barato y reciclable | Recargabilidad, potencia |
| Hierro-Aire | 300+ | Materiales muy baratos y abundantes | Densidad de potencia, recargabilidad |
Conclusión
Una vez que se sabe qué elementos van en las pilas y por qué están ahí, se empiezan a entender las compensaciones que tienen que hacer los fabricantes. Puede que el litio domine ahora, pero el sodio, el azufre y el zinc podrían abrir camino en el futuro.
El futuro de las baterías no dependerá sólo de la química, sino también de la ciencia, la ética y el abastecimiento inteligente.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Cuál es el elemento más utilizado en las baterías de iones de litio?
Eso sería el litio. Pero también utilizan cobalto, níquel y manganeso en los cátodos, y grafito para el ánodo.
¿Son las pilas de litio la mejor opción para todas las aplicaciones?
No. Para cosas como el almacenamiento estacionario o usos de menor presupuesto, el plomo-ácido o el sodio-ión podrían ser mejores.
¿Pueden los fabricantes fabricar pilas sin elementos tóxicos como el cobalto?
Sí, y muchos ya lo hacen, con los productos químicos LFP y de alto contenido en níquel ganando terreno.
¿Cómo afecta la elección del elemento a la vida útil de la batería?
Los mejores materiales se degradan menos. El manganeso y el fosfato de hierro, por ejemplo, ayudan a que las pilas duren más.
¿Cuáles son las baterías más seguras?
Las baterías de estado sólido y LFP ofrecen mayor seguridad térmica y menos riesgos de incendio que las baterías de iones de litio con alto contenido en cobalto.