[WikiItic] [TitleIndex] [WordIndex

Bateries alternatives

INTRODUCCIÓ GENERAL DEL TEMA

En l'actualitat, la tecnologia és una gran part de la nostra vida degut a que ens la pot facilitar molt, ja sigui utilitzant un cotxe, un telèfon mòbil, una rentadora, etc. Però per poder fer funcionar correctament tots aquests aparells, necessitem fonts d'alimentació que els proporcionin corrents elèctriques. Ara bé, a l'hora de parlar de fons d'alimentació podem diferenciar dos grans casos:

En aquest informe, el que farem serà analitzar els tipus de bateries més utilitzades actualment i plantejarem algunes solucions alternatives que siguin més òptimes, tant pel que fa al seu funcionament com al seu reciclatge.

DEFINICIÓ DEL FUNCIONAMENT DE PILES/BATERIES

És molt complicat explicar extensament el funcionament intern de tots i cada un dels diferents tipus de piles i bateries. Per això ens centrarem en les piles Morfeu, que són les cilíndriques que tots hem vist algun cop.

Les piles de Morfeu, estan formades per: un recipient metàl·lic (d'acer) de forma cilíndrica, que te en el seu extrem un sortint que actuarà com a born positiu. En aquest recipient es col·locarà un cilindre buit fet de diòxid de manganès premsat el diàmetre del qual és l'adequat perquè quedi en contacte amb l'acer. A l'interior d'aquest cilindre s'hi posa un paper separador enrotllat en forma de tub i, en el forat que hi deixa, s'hi afegeix zinc metàl·lic en pols barrejat amb l'electròlit formant una pasta espessa. Aquest cilindre es tancarà hermèticament amb una tapa en forma de clau de metall, que farà de col·lector negatiu i quedarà submergit per la pasta de forma que la tapa quedi aïllada de la carcassa d'acer. Per aconseguir això s'utilitzarà una junta de plàstic.



El el moment en que ajuntem els borns de la pila, aquesta començarà a funcionar. El zinc es dissoldrà i es produiran electrons que es recolliran en el clau metàl·lic fins la tapa. A traves de la connexió que hem fet entre els borns hi circularan els electrons produint electricitat. Aquesta es dispersarà pel recipient d'acer dins al cilindre de diòxid de manganès on es produirà la reacció de reducció. Aquest sistema funcionarà fins que el zinc es dissolgui totalment o bé el diòxid de manganès es redueixi del tot. En aquest moment las reaccions electroquímiques es detenen i els electrons deixen de fluir.

Les piles molt deteriorades s'inflen degut a les reaccions químiques d'oxidació que genera l'hidrogen de l'electròlit.

PILES

Piles alcalines

Definició i funcionament

Les piles alcalines són les més utilitzades en l'actualitat en quant a aparells domèstics, ja sigui per alimentar un commandament a distància, una ràdio, joguines, etc. Tot i que cada cop més aquestes es van substituint per bateries, ja que la tecnologia va progressant i es necessiten alimentacions més potents. Pel que fa a la seva composició química, tenen un ànode de zinc pulveritzat, un càtode de diòxi de manganès i un electròlit fet d'hidròxid de potassi. Les piles alcalines reben aquest nom degut a que el potassi és un element alcalí.

Varietats de piles alcalines

Normalment, a les botigues en podem trobar de molts tipus, tot i que le que més utilitzem són les AA i les AAA, que tenen 1,5V cada una i poden proporcionar un corrent elèctric d'entre 1100-3000 mAh en el cas de les AA i les AAA entre 900-1155 mAh. També en podriem aconseguir d'altres tipus, la tensió màxima dels quals podria arribar a 9V. tipospilas.jpg

Usos típics

Aquest tipus de piles s'utilitzen per aparells que no neccesitin gaire voltatge i que ens interessi que la font d'alimentació tingui una llarga durada, per tal de no haver de pensar en canviar les piles constantment. Aqui tenim alguns exemples d'aparells que funcionin amb piles: commandaments a distància, joguines, ràdios, petites llinternes o llums, rellotges de paret, respalls de dents elèctrics, bàscules, etc.

Avantatges

Inconvenients

Efecte mediambiental/socioeconòmic

pilareciclada.jpg El reciclatge de les piles és un tema molt important, ja que el fet de llençar aquests components sense que tinguin l'oportunitat de ser reciclats va desgastant el nostre planeta. A Europa, però, hi ha un sistema efectiu per la recollida de piles, que es duu a terme col·locant diversos contenidors de piles en punts estratègics de les ciutats. D'allà es porten en plantes especialitazdes per al seu reciclatge.

Les piles alcalines, però, són més difícils de reciclar que les recarregables. Al 2009 va entrar en vigor una llei que obligava als fabricats de piles a pagar una tasa per la seva recollida, tracatment i reciclatge.


Per què reciclar les piles?

A l'interior d'aquests petits components hi ha metalls pesats i elements químics per tal de crear una reacció que produeixi energia, ara bé, un cop s'ha descarregat del tot, l'envoltori de la pila va desapareixent de manera que aquests components de l'interior que són tant contaminants, surten a l'exterior i afecten greument l'estat de l'aire i l'aigua que els envolta.

A més a més, aquestes bateries contenen materials molt útils que podrien servir per fabricar altres dispositus en comptes de ser acumulats en muntanyes de deixalla. D'aquesta manera també disminueix l'extracció dels materials de la terra, ja que es van reutilitzant.


On van a parar les piles que no són reciclades?

Quan decidim no reciclar les piles, aquestes poden ser eliminades de tres maneres diferents:


Com es reciclen les piles?

Un cop la pila arriba a la planta de reciclatge, es tritura. Aleshores la pols que s'ha obtingut es col·loca en un destil·lador que s'escalfa fins la temperatura idònia. Seguidament es produeix una condensació, que permet extreure el mercuri amb un 96% de puresa. Amb el que queda de pols es fan diferents processos per separar els metalls que conté.

Aquest procés, però, té un gran cost energètic i econòmic, fins al punt que moltes vegades les empreses recicladores no poden recuperar la inversió feta.

AquaCell

Definició i funcionament

Com ja hem vist, les piles són uns components molt utilitzats en l'actualitat, i que per tant, generen moltes deixalles que contaminen l'entorn. Per solucionar aquest problema, s'han anat proposant noves patents al llarg dels últims anys, l'objectiu de les quals és treure al mercat uns tipus de piles més ecològiques i amb millores respecte les alcalines. Cal dir però, que aconseguir-ho no és fàcil, ja que es podrien trobar piles que contaminin menys, però amb unes qualitats elèctriques pitjors que les actuals.




Nosaltres proposarem unes piles anomenades Aquacell, que es recarreguen submergint-les en aigua. Perfer-ho, es descargola la tapa de la pila i es submergeix en aigua. D'aquesta manera es produeix un procés d'electròlisi a l'estimular els ions negatius i positius. Aquests ions es troben a l'interior de la pila en forma de pols no tòxica. Un cop carregada del tot, cal eixugar la pila i tornar a col·locar la tapa.Al seu interior contenen carburant, zinc i pols reactiva feta d'elements naturals.El tamany d'aquestes piles és el mateix que les alcalines AA d'1,5V.



Quines necessitats satisfà?

Aquestes piles podrien ser utilitzades en aparells que necessitin un consum energètic mitjà-baix, és a dir, que necessitin les mateixes prestacions que pot oferir una pila alcalina.
Alguns exemples podrien ser: rellotges, ràdios, llanternes, comandaments a distància, etc.

Avantatges

Inconvenients

Efecte mediambiental/socioeconòmic

El procés de reciclatge d'aquestes piles seria molt més senzill i eficient, degut a que no contenen metalls pesants ni toxines. A més a més durant aquest procés la contaminació seria molt inferior que amb les alcalines. Per altra banda, el fet de que es recarreguin amb aigua, fa que no calgui la connexió amb la xarxa elèctrica, evitant amb això el consum d'energia per la seva recàrrega.

Comparació entre les piles alcalines i les AquaCell

Pel que fa a les característiques elèctriques d'aquests dos tipus de piles, podriem arribar a la conclusió que són millors les alcalines, degut a que tenen una vida útil més llarga i són útils per aparells d'alt consum. Aquesta comparació podria haver estat més exhaustiva si tinguéssim més coneixements i dades sobre les AquaCell, que com hem comentat anteriorment, un dels seus grans inconveniets és la falta d'informació. Si hem de destacar algun aspecte tècnic de les AquaCell, és que degut a que no funcionen fins que no es submergeixen en aigua, no perdran càrega a partir de la seva sortida de fàbrica, a diferència de les alcalines que poden tenir alguna petita pèrdua. D'altra banda, si ens mirem els efectes mediambientals dels dos tipus de piles, ens quedariem amb les AquaCell, degut a que no contenen materials tant contaminants com les alcalines i són més fàcils de reciclar. Cal dir, però, que les piles alcalines tenen una estructura de reciclatge per tot Europa, en canvi per reciclar les AquaCell s'haurien de crear plantes que ho féssin.

BATERIES

Bateries de ions de liti

Definició i funcionament

Les bateries de ions de liti, també anomenades bateries de Li-Ion, són de les més utilitzades en el món actual. Per aconseguir crear una diferència de potencial entre els borns de la bateria, s'utilitza un electròlit format de liti, un ànode que sol ser de grafit i un càtode d'òxid de liti i cobalt.

A l'hora de parlar d'aquest tipus de bateries hem d'anar alerta, ja que no és el mateix una bateria de ions de liti que una bateria de liti. Aquesta segona, a diferència de la primera, no és recarregable.



Usos típics

Aquest tipus de bateries, s'utilitzen per a dispositius o aparells que necessiten una potencia mitjana-alta, i que necessitin ser recarregades. Per exemple, aquestes es solen utilitzar per a telèfons mòbils, bateries recarregables (com la d'una càmera de fotos), bateries de cotxe, d'ordinadors portàtils, etc. També ens podem trobar amb piles de ions de liti, del tamany de les d'un comandament a distància d'un televisor, tot i que a aquesta escala la pila més comuna és la alcalina.

Avantatges

Aspectes tècnics



Aspectes físics

Inconvenients

bateriacremadaI.jpg

Efecte mediambiental/socioeconòmic

Aquest apartat és la cara fosca de les bateries de ions de liti, així com la de qualsevol component o aparell electrònic, que és el seu reciclatge. El preu del liti en el mercat és d'uns 6 euros/kg, un valor suficientment baix com perquè no hi hagin empreses privades que s'ocupin de l'extracció i reciclatge del liti, ja que no se'n podria treure benefici. D'altra banda, però, si hi han empreses que es dediquen al reciclatge de les bateries de liti és degut a que aquestes contenen cobalt, un material el qual és més de 3 vegades més valuós que el liti (19 euros/kg) i que per tant sí que se'n pot treure benefici. És curiós que les empreses de reciclatge de bateries de liti, només n'aprofitin el cobalt, llençant tot el liti que contenen i per tant fent impossible la seva reutilització en futures bateries o altres aparells.

Bateries d'alumini-ions

Fa relativament poc, aquestes noves bateries van ser implementades a la universitat d'Stanford pel professor Honjie Dai juntament amb els seus companys, aportant a la societat un nou tipus de bateria més prima i flexible que carrega i descarrega molt més ràpid que les bateries convencionals de liti-ions conegudes per la seva facilitat de cremar-se a la llarga.



Funcionament

Aquesta bateria d'alumini consisteix en dos elèctrodes: un ànode carregat negativament fet d'alumini i un càtode carregat positivament. Aquest càtode esta fet de grafit, un material que mai s'ha utilitzat en aquest tipus d'aplicacions i que Dai va descobrir accidentalment que aportava molt més que altres materials. Per a la bateria experimental que van crear, l'equip d'Stanford van col·locar l'ànode d'alumini i el càtode de grafit juntament amb electròlit líquid iònic, un tipus de sal liquida a temperatura ambient molt segur, dins d'una petita bossa recoberta per polímers.



Avantatges

Inconvenients

Efectes mediambientals i socioeconòmics

Pel que fa la fa implementació d'aquestes bateries en altres àmbits en els que són més adequades, com a la xarxa elèctrica, podria comportar més estabilitat a aquestes estructures. El percentatge d'alumini al nostre abast es d'un 8,07%, un percentatge molt més elevat que el del liti que es troba dues posicions per sota del níquel el percentatge del qual es un 0,019%. Això fa que l'alumini sigui un material encara més atractiu per explotar i per elaborar aquest tipus de bateries. Un dels problemes en aquesta explotació són els gasos als que estarien exposats els extractors i transportadors d'aquests metalls. Aquest canvi radical de les bateries de liti-ions a bateries d'alumini comportaria una millora en la societat però també una gran quantitat de bateries de liti-ions rebutjades amb les quals s'hauria de fer alguna cosa. En el millor dels casos es podria trobar algun mètode per reciclar-les, el el pitjor,podrien ser abandonades en deixalleries o il·legalment en països del tercer món com passa avui dia amb molts components electrònics.

Comparació entre les Bateries Li-Ion i les d'alumini-ions

Resumint els aspectes que fan de les bateries d'alumini unes bateries amb un futur bastant prometedor, en destacaríem la seva característica principal: les ràpides càrregues i descàrregues. Aquest fet les fa atractives en vista de com les bateries Li-Ion necessiten el seu temps per carregar-se i no duren tants cicles com les d'alumini. Si ens fixem en els preus de l'alumini i el liti, guanyen punts a favor les d'alumini, ja que aquest metall no és tant costós. D'altra banda, si el que estem buscant és una alta densitat de càrrega i tensions molt elevades i amb descàrregues lineals, ens quedariem amb les bateries de ions de liti. Pel que fa als aspectes mediambientals de les dues bateries, si mirem pel futur del planeta, seria millor utilitzar les d'alumini, ja que aquest material es troba en molta més proporció que el liti, que a poc a poc es va exaurint, sobretot quan en les plantes de reciclatge d'aquestes piles el que interessa i es recicla és el cobalt i no el liti. Això deixa ambdues bateries molt ajustades en termes d'avantatges i inconvenients, i la seva implementació dependrà de com evolucionin les noves tecnologies i del que interessi als mercats.

Bateries de diòxid de titani

Recentment s'ha publicat un estudi fet per la Universitat de Tecnologia de Nanyang, a Singapur, que parla sobre la possibilitat de crear unes bateries on el seu component bàsic és el diòxid de titani que ens permetria carregar-les en un 70% en tan sols dos minuts, tenint, a més una vida útil de més de dos dècades. Es diu que aquest nou tipus de bateria podria arribar al mercat en uns dos anys.



Funcionament

bateriatitaniIII.jpg


El funcionament d'aquestes noves bateries no varia massa respecte al de les bateries de ions de liti. Simplement s'aconseguiria transformant el diòxid de titani en nano-filaments de manera que poguessin substituir el grafit utilitzat a l'ànode de les bateries amb ions de liti. Amb això el que s'aconsegueix és una acceleració de les reaccions químiques de la nova bateria, fent així, que aquesta sigui molt més ràpida a l'hora de carregar-se.

Quines necessitats satisfà?

Inicialment, aquestes bateries serien primordials en l'àmbit de l'automoció, ja que sembla que els vehicles elèctrics acabaran sent els dominants d'aquí uns anys. Com que el mètode per a carregar-los és molt llarg, aquesta seria una solució que podria produir un augment d'aquests vehicles menys contaminants. Tot i així, també estarien disponibles de cara a mòbils i tauletes.

Avantatges

Inconvenients

Efecte mediambiental i socioeconòmic

Comparació entre les Bateries Li-Ion i les de diòxid de titani

Un factor a favor de les bateries fetes a partir de diòxid de titani és que tindrien una vida útil de més de 20 anys, que és més de 10 cops en comparació amb les bateries de liti actuals. A més a més, el seu temps de càrrega és molt inferior, podent arribar a un 70% del total en tant sols 2 minuts. En canvi per aconseguir aquestes xifres amb les bateries de Li-Ion es necessitarien com a mínim 30 minuts. A més a més, la fabricació d'aquestes bateries innovadores seria més barata que les de ions de liti. Per tant, pel que fa a característiques tècniques de les dues bateries, a priori ens quedariem amb les de diòxid de titani, ja que són una versió millorada de les actuals, tot i que encara falten moltes proves i estudis fins que arribin al mercat actual. Si valorem els aspectes mediambientals que tenen cada una, podem dir que les de diòxid de titani són més ecològiques ja que sabent que té una vida útil tant llarga, aplicades a l'automoció reduirien gasos contaminants.

CONCLUSIONS

En resum, podríem dir que hem aconseguit l'objectiu d'informar-nos i adquirir una mica més de coneixements d'aquest gran món que són les piles i les bateries, en el que constantment es van fent estudis per tal de millorar les utilitats actuals. Trobar alguna alternativa millor, però, és una feina que té una gran dificultat, ja que s'han de tenir en compte dos aspectes importants: les aplicacions per a les quals seran dissenyades i que respecte als models establerts, aquestes aportin millores en sostenibilitat i en característiques noves que les facin més interessants per als mercats. Podria ser fàcil aconseguir una pila amb gran prestacions energètiques, però de ben segur que contaminaria molt. De la mateixa forma es podria aconseguir crear una pila feta el més natural possible i amb una tassa de contaminació ben baixa, però moltes vegades aquesta condició impedeix que la pila gaudeixi d'unes bones qualitats elèctriques. 

Un cop plantejades aquestes alternatives, cal fer esment de que el principal objectiu de l'humà és tenir una vida millor, sense preocupar-se pels residus que poden generar. Per això el fet d'aconseguir normalitzar l'ús d'un altre tipus de pila o bateria que no siguin les alcalines o les Li-Ion serà un procés costós i lent, ja que suposa un gran canvi en la societat actual. També, aquest canvi suposaria una gran acumulació de piles i bateries llençades que caldria reciclar, procés que resultaria en molts més costos que implementar una nova pila al mercat.

Esperem per això, que amb tots els nous tipus de piles que hem trobat al fer recerca per aquest treball, tots els prototips que s'han dut a terme arribin a millorar-se i a implementar-se de forma progressiva a nous dispositius. Amb una mica de sort, els prototips efectius d'algunes d'aquestes noves piles, seran millorats aviat i potser en un futur proper podem observar la qualitat del producte final i la millora en el rendiment i l'ecologia de les piles i bateries.


2023-07-03 11:46