Pensándolo bien...
Las baterías de ion-Litio tienen una de las mayores densidades de energía de todas las tecnologías de baterías disponibles, lo que las hace particularmente atractivas para dispositivos portátiles y vehículos eléctricos, donde el peso y el espacio son consideraciones críticas. A diferencia de algunas tecnologías de baterías recargables, como las de níquel-cadmio, las baterías de ion Litio no se ven afectadas por el efecto memoria. Esto significa que no necesitan ser completamente descargadas antes de recargarlas, lo que mejora su uso y ciclo de vida. Las baterías de ion Li, pueden soportar cientos de ciclos de carga y descarga con una degradación mínima de su capacidad, lo que las hace especialmente adecuadas para aplicaciones donde se requieren recargas frecuentes. No requieren un mantenimiento regular para asegurar su rendimiento, a diferencia de otras baterías que necesitan ser calibradas periódicamente.
También podemos señalar entre los Inconvenientes, una de las desventajas más significativas de las baterías de ion Li, que es su potencial para sobrecalentarse y causar incendios o explosiones, si no se gestionan adecuadamente. Esto es especialmente crítico, como se ha señalado, si se dañan o se utilizan dispositivos de carga incompatibles. La producción de baterías de ion Li puede ser costosa debido a los materiales necesarios y a los procesos de fabricación, que son complejos, lo que incrementa el costo final de los productos que las utilizan. Aunque las baterías de ion Li son menos perjudiciales para el medio ambiente que las alternativas de níquel-cadmio, su producción y eliminación, también presentan desafíos ambientales. La extracción de litio y otros metales necesarios puede tener un impacto ambiental significativo y el reciclaje de baterías de ion Li es complejo y costoso. Finalmente, señalamos que su rendimiento puede verse significativamente afectado por temperaturas extremadamente bajas o altas, lo que limita su eficacia en ciertas condiciones ambientales.
En conclusión, las baterías de iones de litio ofrecen una serie de ventajas que las han convertido en la opción preferida para muchas aplicaciones. Sin embargo, es crucial abordar sus inconvenientes mediante la investigación y el desarrollo continuos para mejorar su seguridad, reducir costos y minimizar su impacto ambiental. La evolución futura de la tecnología de baterías de ion Li probablemente se centrará en mejorar la seguridad, aumentar la densidad de energía y reducir aún más el impacto ambiental.
El análisis de las baterías se suele basar en sus propiedades eléctricas, como el voltaje o la corriente. Ciertamente el flujo eléctrico va acompañado del de calor, como evidenciara Joule en los comienzos de la era de la electricidad. Conforme los sistemas de detección son más sofisticados y sensibles, se puede acceder a otras propiedades concomitantes con las convencionales, que ofrecen nuevas perspectivas o formas de valorar. Ahora, investigadores de la Universidad de Illinois han estudiado el flujo de calor de una célula de una batería de iones litio. Han detectado que el calor fluye en sentido contrario al de la corriente eléctrica, lo que generaba una temperatura más elevada en la entrada a la célula que a la salida de ésta.
La época en la que Peltier realizó su descubrimiento fue un período de rápidos avances científicos y tecnológicos. El siglo XIX fue testigo de una explosión de descubrimientos en física y química, con científicos como Faraday, Ampère y Ohm, contribuyendo al creciente campo del electromagnetismo. En este contexto vibrante y fértil, Peltier trabajaba como relojero y aficionado a la Ciencia, lo que demuestra que el interés y la dedicación pueden llevar a descubrimientos significativos incluso sin una educación formal avanzada. Peltier estaba investigando los efectos de la electricidad a través de diferentes materiales cuando observó un fenómeno intrigante: al pasar una corriente eléctrica a través de la unión de dos metales diferentes, uno de los lados se enfriaba mientras que el otro se calentaba. Este efecto, que posteriormente llevaría su nombre, mostraba que la electricidad podía convertirse directamente en una diferencia de temperatura, lo cual contravenía la comprensión previa de que el calor solo podía ser generado por resistencia eléctrica o reacciones químicas.
El descubrimiento del efecto Peltier abrió nuevas posibilidades para la comprensión de las relaciones entre electricidad y calor. Este efecto es un fenómeno termoeléctrico, que junto con el efecto Seebeck (descubierto en 1821) y el efecto Thomson (descubierto posteriormente en 1851), constituye la base de la termoelectricidad. La importancia de este descubrimiento radica no solo en su aplicación práctica para la refrigeración y la generación de energía, sino también en su contribución fundamental a la Termodinámica y la Física de semiconductores. Las aplicaciones del efecto Peltier han crecido exponencialmente desde su descubrimiento. Hoy en día, se utiliza en refrigeradores termoeléctricos, enfriadores de CPU de ordenadores, cámaras térmicas y muchas otras aplicaciones que requieren control preciso de la temperatura. Además, el estudio y la mejora de los materiales termoeléctricos continúa siendo un área activa de investigación, con el potencial de aumentar la eficiencia de la conversión de calor en electricidad y viceversa.
Imagen creada con ChatGPT con DALL-E
El efecto Peltier, pues, se basa en el principio de que cuando la corriente eléctrica fluye a través de la unión de dos materiales diferentes, puede absorber o liberar calor y este fenómeno es reversible, lo que significa que invertir la dirección de la corriente cambiará la dirección de transferencia de calor, lo cual es fundamental para su aplicación en la detección de temperatura. La precisión y la capacidad de control del efecto Peltier lo hacen ideal para aplicaciones que requieren la medición o el mantenimiento de temperaturas específicas. Los campos de aplicación han sido desde los dispositivos que pueden crear puntos de referencia de temperatura precisos y estables, que son esenciales para la calibración de sensores de temperatura, hasta en biología molecular, los termocicladores, que utilizan el efecto Peltier para cambiar rápidamente las temperaturas, permitiendo así la amplificación del ADN. La capacidad de detectar y controlar precisamente la temperatura es crucial para el éxito de estos procesos. Algunos sistemas de enfriamiento de cámaras térmicas y de visión nocturna utilizan el efecto Peltier para mejorar la detección de diferencias de temperatura, permitiendo imágenes más claras y precisas basadas en la radiación infrarroja. En suma, el uso del efecto Peltier para la detección de temperatura ofrece varias ventajas, incluyendo un control preciso de la temperatura, la capacidad de enfriar componentes sin partes móviles, lo que reduce el ruido y el desgaste y la flexibilidad de ser utilizado en una variedad de aplicaciones que van desde la electrónica de consumo hasta equipos industriales y médicos. La eficiencia energética puede ser una limitación, ya que la conversión de energía eléctrica en transferencia de calor no siempre es óptima. Además, la necesidad de disipar eficientemente el calor generado o absorbido puede requerir sistemas de gestión térmica adicionales, complicando el diseño y aumentando el costo de los dispositivos.
Ahora se ha demostrado cómo estudiar las propiedades químicas de las pilas de iones de litio aprovechando el efecto Peltier, ya que la corriente eléctrica hace que un sistema se caliente. Esta técnica, ha permitido medir experimentalmente la entropía del electrolito de iones de litio, que es una característica termodinámica que podría incidir directamente en el diseño de las baterías de iones de litio. Si se trata de calor, es esencial comprender la termodinámica fundamental de los iones litio disueltos, información que debe impulsar el desarrollo de mejores electrolitos para baterías. Se trata de medir el transporte acoplado de carga eléctrica y calor en el efecto Peltier lo que permite deducir la entropía, una cantidad que está estrechamente relacionada con la estructura química de los iones disueltos y cómo interactúan entre ellos y con otras partes de la batería.
El reto que plantean los investigadores se centra en que, hasta ahora, están muy estudiados los sistemas sólidos en los que el efecto Peltier se emplea tanto para refrigerar como para calentar, pero no hay estudios de referencia sobre el empleo del efecto Peltier en sistemas iónicos como el de iones Litio. Como decíamos más arriba, la cuestión es de sensibilidad de detección, dado que las diferencias de temperatura que se dan en el calentamiento o enfriamiento de sistemas iónicos es muy pequeña. En la investigación que referimos se han empleado sistemas de detección con una resolución de una cienmilésima de grado centígrado. Este nivel de diferencias de temperatura son las que se detectan entre los dos extremos de la célula de iones Litio y es a partir de estos datos que se calcula la entropía asociada al proceso.
La entropía es una medida fundamental en Termodinámica, que ayuda a entender no solo las propiedades físicas de los sistemas sino también la dirección en la que los procesos naturales tienden a evolucionar, moviéndose hacia estados de mayor aleatoriedad o desorden. En esencia se mide una diferencia de temperatura, que es una magnitud macroscópica, pero que desvela información esencial sobre el comportamiento microscópico de los iones Li. Básicamente la detección de una diferencia de temperatura y la entropía de la disolución derivan de la estructura de solvatación de los iones en la disolución. Se obtiene una descripción del sistema a nivel microscópico.
Al relacionar el flujo de calor, detectado mediante el efecto Peltier, con la concentración de los iones litio en la disolución, así como la relación con el tipo de disolvente, los materiales constitutivos de los electrodos y la temperatura, observaron en todos los casos que el flujo de calor tenía sentido opuesto al de la corriente iónica en la disolución. La traducción de este hecho implica que la entropía de la disolución es inferior a la del Li sólido. Es decir, hay una ordenación mayor de los iones Li en la disolución que en el electrodo (cátodo), que suele ser óxido de cobalto y litio (LiCoO2), que zse usa mucho, debido a su estabilidad y capacidad de energía relativamente alta, pero es costoso y genera preocupaciones ambientales; óxido de manganeso y litio (LiMn2O4), que ofrece una buena seguridad y un costo menor, pero puede degenerar en una capacidad de carga reducida con el tiempo; óxido de níquel, manganeso y cobalto (NMC, LiNiMnCoO2), que combina las propiedades de los materiales anteriores para mejorar la vida útil, la densidad de energía y la seguridad o el óxido de fosfato de hierro y litio (LiFePO4), que destaca por su seguridad y estabilidad térmica, aunque tiene una densidad de energía más baja que otras opciones.
La medida de la entropía de la disolución electrolítica, en este caso de iones Litio, informa sobre la movilidad de los iones, que es lo que ocurre en los procesos de carga y descarga de la batería y las interacciones que los iones tienen con los electrodos, lo que incide de forma decisiva en la vida útil de las baterías de iones Litio.
Un electrodo en una disolución no es un sistema estable. Se genera la denominada interfase entre los componentes sólidos del electrodo y los iones de la disolución que son los electrolitos. La termodinámica de la interfase es la que informa de los procesos que tienen lugar en aquélla. La gran aportación del trabajo referido es que el calor habla de ello y permite caracterizar los procesos que tienen lugar y las consecuencias que pueden derivar de éstos. La electroquímica se ocupa de esto. El calor nos lo cuenta.
Sopa de letras: EL CALOR HABLA
Soluciones: KANT Y LA CIENCIA