¿Cuándo se inventó la batería?

¿Cuándo se inventó la batería?

Universidad de la batería

Uno de los descubrimientos más notables y novedosos de los últimos 400 años fue la electricidad. Podríamos preguntar: "¿Ha existido la electricidad por tanto tiempo?" La respuesta es sí, y quizás mucho más tiempo, pero su uso práctico solo ha estado a nuestra disposición desde mediados hasta finales del siglo XIX, y de forma limitada al principio. Una de las primeras obras públicas que llamó la atención fue iluminar la Exposición Universal de Chicago de 1893 con 250.000 bombillas e iluminar un puente sobre el río Sena durante la Feria Mundial de 1900 en París.
El uso de la electricidad puede retroceder más. Mientras construían un ferrocarril en 1936 cerca de Bagdad, los trabajadores descubrieron lo que parecía ser una batería prehistórica, también conocida como la Batería Parta. El objeto se remonta a la época de los partos y se cree que tiene 2.000 años. La batería consistía en una vasija de barro que se llenaba con una solución de vinagre en la que se insertaba una varilla de hierro rodeada por un cilindro de cobre. Este dispositivo producía de 1,1 a 2,0 voltios de electricidad. La figura 1 ilustra la Batería Parta.

Figura 1: Batería Parta. Una vasija de barro de una batería prehistórica sostiene una barra de hierro rodeada por un cilindro de cobre. Cuando se llena con vinagre o solución electrolítica, la jarra produce de 1,1 a 2 voltios.
No todos los científicos aceptan la Batería Parta como fuente de energía. Es posible que el dispositivo se haya utilizado para galvanoplastia, como agregar una capa de oro u otros metales preciosos a una superficie. Se dice que los egipcios electrochaparon antimonio sobre cobre hace más de 4.300 años. La evidencia arqueológica sugiere que los babilonios fueron los primeros en descubrir y emplear una técnica galvánica en la fabricación de joyas mediante el uso de un electrolito a base de jugo de uva para gres chapado en oro. Los partos, que gobernaron Bagdad (ca. 250 a. C.), pueden haber usado baterías para electrochapar plata.
Uno de los primeros métodos para generar electricidad en los tiempos modernos fue mediante la creación de una carga estática. En 1660, Otto von Guericke construyó una máquina eléctrica utilizando un gran globo de azufre que, cuando se frotaba y giraba, atraía plumas y pequeños trozos de papel. Guericke pudo probar que las chispas generadas eran de naturaleza eléctrica.
El primer uso práctico de la electricidad estática fue la "pistola eléctrica", que inventó Alessandro Volta (1745–1827). Pensó en proporcionar comunicaciones a larga distancia, aunque solo un bit booleano. Un alambre de hierro sostenido por postes de madera iba a ser tendido desde Como hasta Milán, Italia. En el extremo receptor, el cable terminaría en un recipiente lleno de gas metano. Para señalar un evento codificado, se enviaría una chispa eléctrica por cable con el fin de detonar la pistola eléctrica. Este enlace de comunicaciones nunca se construyó. La Figura 1-2 muestra una representación a lápiz de Alessandro Volta.

Figura 2: Alessandro Volta, inventor de la batería eléctrica
El descubrimiento de Volta de la descomposición del agua por una corriente eléctrica sentó las bases de la electroquímica.
Cortesía de Cadex

En 1791, mientras trabajaba en la Universidad de Bolonia, Luigi Galvani descubrió que el músculo de una rana se contraía cuando se tocaba con un objeto metálico. Este fenómeno se conoció como electricidad animal. Impulsado por estos experimentos, Volta inició una serie de experimentos utilizando zinc, plomo, estaño y hierro como placas positivas (cátodo); y cobre, plata, oro y grafito como placas negativas (ánodo). El interés por la electricidad galvánica pronto se generalizó.
Baterías tempranas
Volta descubrió en 1800 que ciertos fluidos generaban un flujo continuo de energía eléctrica cuando se usaban como conductores. Este descubrimiento condujo a la invención de la primera celda voltaica, más conocida como batería. Volta descubrió además que el voltaje aumentaría cuando las celdas voltaicas se apilaran una encima de la otra. La figura 3 ilustra una conexión en serie de este tipo.

Figura 1-3: Cuatro variaciones
de la batería eléctrica de Volta
Los metales en una batería tienen diferentes efectos eléctricos. Volta notó que el potencial de voltaje con sustancias diferentes se hacía más fuerte cuanto más separadas estaban unas de otras.
El primer número en los metales enumerados a continuación es la afinidad para atraer electrones; el segundo es el potencial estándar del primer estado de oxidación.
Cinc = 1,6 / -0,76 V
Plomo = 1,9 / -0,13 V
Estaño = 1,8 / -1,07 V
Hierro = 1,8 / -0,04 V
Cobre = 1,9 / 0,159 V
Plata = 1,9 / 1,98 V
Oro = 2,4 / 1,83 V
Carbono = 2,5 / 0,13 V
Los metales determinan el voltaje de la batería; se separaron con papel húmedo empapado en agua salada.
Cortesía de Cadex
En el mismo año, Volta dio a conocer su descubrimiento de una fuente continua de electricidad a la Royal Society de Londres. Los experimentos ya no se limitaban a una breve exhibición de chispas que duraban una fracción de segundo. Un flujo interminable de corriente eléctrica ahora parecía posible.
Francia fue una de las primeras naciones en reconocer oficialmente los descubrimientos de Volta. Esto fue en un momento en que Francia se acercaba al apogeo de los avances científicos y las nuevas ideas eran recibidas con los brazos abiertos, lo que ayudaba a respaldar la agenda política del país. Por invitación, Volta se dirigió al Instituto de Francia en una serie de conferencias en las que Napoleón Bonaparte estuvo presente como miembro del instituto (ver Figura 4).

Figura 4: Experimentos de Volta en el Instituto de Francia
Los descubrimientos de Volta impresionaron tanto al mundo que en noviembre de 1800 el Instituto Nacional Francés lo invitó a dar conferencias en eventos en los que participó Napoleón Bonaparte. Napoleón ayudó con los experimentos, sacando chispas de la batería, derritiendo un alambre de acero, descargando una pistola eléctrica y descomponiendo el agua en sus elementos.
Cortesía de Cadex
En 1800, Sir Humphry Davy, inventor de la lámpara de seguridad para mineros, comenzó a probar los efectos químicos de la electricidad y descubrió que la descomposición se producía al pasar una corriente eléctrica a través de las sustancias. Este proceso se llamó más tarde electrólisis. Hizo nuevos descubrimientos al instalar la batería eléctrica más grande y poderosa del mundo en las bóvedas de la Royal Institution de Londres. La conexión de la batería a los electrodos de carbón produjo la primera luz eléctrica. Los testigos informaron que su lámpara de arco voltaico produjo “el arco de luz ascendente más brillante jamás visto”.
En 1802, William Cruickshank diseñó la primera batería eléctrica para producción en masa. Cruickshank dispuso láminas cuadradas de cobre con láminas de zinc del mismo tamaño. Estas láminas se colocaron en una caja de madera rectangular larga y se soldaron entre sí. Las ranuras en la caja mantenían las placas de metal en su posición, y luego la caja sellada se llenaba con un electrolito de salmuera o un ácido diluido. Esto se parecía a la batería inundada que todavía está con nosotros hoy. La Figura 5 ilustra el taller de baterías de Cruickshank.

Figura 5: Cruickshank y la primera batería inundada. William Cruickshank, un químico inglés, construyó una batería de celdas eléctricas uniendo placas de zinc y cobre en una caja de madera llena de una solución electrolítica. Este diseño inundado tenía la ventaja de no secarse con el uso y proporcionaba más energía que la disposición de discos de Volta.
Cortesía de Cadex
La invención de la batería recargable
En 1836, John F. Daniell, un químico inglés, desarrolló una batería mejorada que producía una corriente más constante que los dispositivos anteriores. Hasta ese momento, todas las baterías eran primarias, lo que significa que no se podían recargar. En 1859, el físico francés Gaston Planté inventó la primera batería recargable. Estaba basado en ácido de plomo, un sistema que todavía se usa en la actualidad.
En 1899, Waldemar Jungner de Suecia inventó la batería de níquel-cadmio (NiCd), que usaba níquel para el electrodo positivo (cátodo) y cadmio para el negativo (ánodo). Los altos costos de los materiales en comparación con el ácido de plomo limitaron su uso y dos años más tarde, Thomas Edison produjo un diseño alternativo al reemplazar el cadmio con hierro. La baja energía específica, el bajo rendimiento a baja temperatura y la alta autodescarga limitaron el éxito de la batería de níquel-hierro. No fue hasta 1932 que Schlecht y Ackermann lograron corrientes de carga más altas y mejoraron la longevidad del NiCd al inventar la placa polar sinterizada. En 1947, Georg Neumann logró sellar la celda.
Durante muchos años, NiCd fue la única batería recargable para aplicaciones portátiles. En la década de 1990, los ambientalistas en Europa comenzaron a preocuparse por la contaminación ambiental si se desechaba el NiCd sin cuidado; comenzaron a restringir esta química y pidieron a la industria de consumo que cambiara a hidruro metálico de níquel (NiMH), una batería más ecológica. NiMH es similar a NiCd, y muchos predicen que NiMH será el trampolín hacia los iones de litio más duraderos (Li-ion).
La mayoría de las actividades de investigación actuales giran en torno a la mejora de los sistemas basados en litio. Además de alimentar teléfonos móviles, portátiles, cámaras digitales, herramientas eléctricas y dispositivos médicos, el ion-litio también se utiliza para vehículos eléctricos. La batería tiene una serie de ventajas, entre las que destacan su alta energía específica, su carga sencilla, su bajo mantenimiento y su inocuidad para el medio ambiente.
Electricidad a través del magnetismo
El descubrimiento de cómo generar electricidad a través del magnetismo llegó relativamente tarde. En 1820, André-Marie Ampère (1775–1836) notó que los cables que transportaban una corriente eléctrica a veces se atraían y otras veces se repelían entre sí. En 1831, Michael Faraday (1791–1867) demostró cómo un disco de cobre proporcionaba un flujo constante de electricidad mientras giraba en un fuerte campo magnético. Faraday, ayudando a Davy y su equipo de investigación, logró generar una fuerza eléctrica infinita mientras continuaba el movimiento entre una bobina y un imán. Esto condujo a la invención del generador eléctrico y, al invertir el proceso, se creó el motor eléctrico. Poco tiempo después, se desarrollaron transformadores que convertían la corriente alterna (CA) en cualquier voltaje deseado. En 1833, Faraday sentó las bases de la electroquímica en las que se basa la ley de Faraday. La ley de inducción de Faraday se relaciona con el electromagnetismo vinculado a transformadores, inductores y muchos tipos de motores y generadores eléctricos.
Una vez que se entendió la relación con el magnetismo, los grandes generadores comenzaron a producir un flujo constante de electricidad. Siguieron motores que permitieron el movimiento mecánico, y la bombilla de Edison apareció para conquistar la oscuridad. Después de que George Westinghouse encendiera la Exposición Colombina Mundial de Chicago en 1893, Westinghouse construyó tres grandes generadores para transformar la energía de las Cataratas del Niágara en electricidad. La tecnología de CA trifásica desarrollada por Nikola Tesla permitió que las líneas de transmisión transportaran energía eléctrica a grandes distancias. De este modo, la electricidad se puso ampliamente a disposición de la humanidad para mejorar la calidad de vida.

Figura 6: 250.000 bombillas iluminan la Exposición Mundial Colombina de Chicago en 1893.
El éxito de la luz eléctrica condujo a la construcción de tres grandes hidrogeneradores en las Cataratas del Niágara.
Cortesía de los Archivos del Museo de Brooklyn. Colección de archivo de Goodyear
La invención del tubo de vacío electrónico a principios del siglo XX constituyó el próximo paso significativo hacia la alta tecnología, que permitió osciladores de frecuencia, amplificación de señales y conmutación digital. Esto condujo a la transmisión de radio en la década de 1920 y la primera computadora digital, llamada ENIAC, en 1946. El descubrimiento del transistor en 1947 allanó el camino para la llegada del circuito integrado 10 años después, y el microprocesador marcó el comienzo de la era de la información. cambiando para siempre la forma en que vivimos y trabajamos.
La humanidad depende de la electricidad y, con el aumento de la movilidad, las personas se han inclinado cada vez más hacia la energía portátil, primero para aplicaciones sobre ruedas, luego para la portabilidad y finalmente para uso portátil. A pesar de lo incómodas y poco confiables que pueden haber sido las primeras baterías, las generaciones futuras pueden ver las tecnologías actuales como nada más que experimentos torpes.