ilustración de un átomo con electrones orbitando alrededor del núcleo

¿Cómo funciona la batería de litio de una herramienta eléctrica?

Para empezar por lo fácil: en una batería cargada, los electrones viajan del terminal negativo al positivo. Así es. En su viaje por el cable la corriente eléctrica de electrones recorre el motor, lo hace girar y regresa a casa por la otra puerta. Entender cómo sucede esto es el objetivo de este artículo.

Partes de una batería eléctrica: electrodos y electrolito

Lo mismo da plomo que litio; de ácido o de sal; pesada o ligera. La carcasa de una batería encierra en su interior dos piezas llamadas electrodos. Estos electrodos son el cátodo, o polo negativo para los amigos; y ánodo, polo positivo. Ellos se conectan a las chapitas metálicas que vemos en el exterior de la batería.

Pero volvamos adentro de la batería. Como dos personas que se bañan de pie en el interior de una piscina poco profunda, el cuerpo del ánodo y el del cátodo están rodeados por una sustancia. Que no tiene por qué ser acuosa. Y que llamaremos electrolito.

Este electrolito puede ser una solución líquida de plomo y agua destilada, por ejemplo, en la batería de arranque de un automóvil. O una pasta de sales espesa y anhidra (sin agua), si el acumulador es el de un taladro eléctrico por batería.

Una vez presentados los actores, con el escenario esbozado y los decorados preparados, se puede izar el telón. Lo que nos interesa saber ahora es qué papel juega cada elemento en el guion de la batería eléctrica.

Partes de una batería eléctrica
Fig. 1. Partes de una batería eléctrica. En el interior los electrodos positivos y negativos están cubiertos por el electrolito.

Cómo salen los electrones de la batería y por qué lo hacen

Como zombis que deambulan a las puertas de un centro comercial, los electrones se agrupan en el cátodo (—) de la batería cargada. En este electrodo de la batería se acumula, pues, un exceso de carga negativa. (Breve recordatorio de química: el electrón es negativo; el protón, positivo).

Los muertos vivientes son atraídos por el ánodo de la batería (+) o los vivos en el interior del edificio. Como si fuesen automátas, hacía allí se dirigirán en cuanto tengan ocasión. Esto es, cuando se abran las puertas: cuando un cable eléctrico conecte entre sí ambos electrodos. En nuestra herramienta de ejemplo, donde ya están conectados los cables, tan pronto se oprima el gatillo del taladro.

¡Clic! La presión zombi se libera. Los electrones salen del polo negativo y enfilan por el cable hacia el electrodo positivo. A su paso, recorren las bobinas del motor y hacen girar el motor, que a su vez hace rotar la broca o la punta de atornillar. Regresan a la batería por el polo +. Sin prisa pero sin pausa allí se van concentrando.

En otras palabras, los no-vivos han atravesado el edificio. Han salido después por la puerta de atrás. Y de nuevo están fuera, pero ahora se agrupan en el extremo opuesto. Y ya no hay nada que los atraiga.

Intermedio. Antes de que la obra prosiga, se debe cambiar el escenario del teatro. Para recapitular, la corriente se establece entre los electrodos de la batería porque tienen diferentes cargas eléctricas, una positiva y otra negativa. (Breve recordatorio de magnetismo: los polos opuestos se atraen).

Electrodo negativo y positivo de una batería eléctrica
Fig. 2. Corriente eléctrica. Los electrones salen de la batería por el cátodo y retornan por el ánodo.

¿Qué ocurre mientras tanto en el interior de la batería?

El proceso descrito es similar al funcionamiento de una pila eléctrica primaria. Esto es, una pila no recargable. La batería de un taladro eléctrico, no obstante, es una pila secundaria o pila recargable. Sin embargo, aún no es el momento de que el recargador entre en escena.

Porque... ¿Qué ocurría en el interior de la batería mientras los electrones salían al exterior? Se abre el telón. Regresemos al electrolito de la piscina.

Mientras los electrones (—) abandonaban la batería por el cátodo, en el interior del acumulador no reinaba la calma. Ni mucho menos. A la vez, los iones positivos de litio (+) buceaban por electrolito hasta llegar al ánodo. ¿Iones? ¿Y de dónde salen estos?

Un ion es un átomo desequilibrado. Cuando le falta un electrón, tiene carga positiva; si le sobra, negativa. No hay premio por adivinarlo.

Pero sí que hay premio por recordar que los zombis (—) fueron inicialmente atraídos por la carga positiva del ánodo (+). Lo que entonces no se dijo es que tal carga era el resultado de una acumulación de iones positivos alrededor de dicho electrodo.

A modo de resumen, cuando una batería se descarga:

  • Los electrones viajan del cátodo (—) al ánodo (+) por fuera de la batería (a través del cable y por el motor de la herramienta)
  • Los iones positivos viajan del cátodo al ánodo por dentro de la batería

Y todo ello es gracias a las reacciones químicas entre el ánodo, el cátodo y el electrolito que mantienen la diferencia de cargas. ¡Pero vamos a verlo con detalle!

Iones de litio positivos en el interior de una batería de un taladro
Fig. 3. Los iones positivos de litio viajan a la vez que los electrones hacia el ánodo.

Reacciones químicas en ánodo y cátodo en una batería eléctrica

Cuando una batería cargada se conecta a un circuito eléctrico, se produce una reacción química en el interior de la batería. Como resultado, los átomos de metal de los electrodos pierden electrones. El electrolito transporta iones de litio desde el electrodo negativo hasta el positivo.

Simultáneamente, por el circuito eléctrico un electrón viaja desde el electrodo negativo hasta el positivo. De esta manera, ambos electrodos quedan compensados. Ya que, en efecto, viajan al mismo tiempo un ión positivo (atómo al que le falta un electrón) y el electrón faltante. El primero por dentro, el segundo por fuera.

Así, en el paso anterior, los átomos quedan con carga eléctrica neutra. Tan solo se han movido del cátodo al ánodo.

En la recarga de la batería se invierte el proceso

Llegados a este punto, queda por tratar un asunto. ¿Qué ocurre cuando se recarga la batería? Pues bien, cuando la batería gastada se conecta cargador, el proceso descrito se invierte.

Durante la recarga, la corriente de electrones entra por el polo negativo de la batería, mientras que los iones de litio viajan en sentido opuesto por el electrolito. Así, la batería queda cargada de nuevo para el siguiente ciclo.

Química de la carga y descarga de la batería de iones de litio

La conclusión, por tanto, es que la energía que acumula una batería no es eléctrica, sino química. Los compuestos que forman el ánodo y el cátodo cambian de forma al reaccionar químicamente. En tales reacciones se liberan los electrones que la herramienta eléctrica usa como fuente de energía.

Por consiguiente, este artículo quedaría incompleto de no tratar, aunque sea de forma simple y breve, la química de una batería. Para ejemplificar, vamos a ver lo que sucede con una batería de dioxido de cobalto, litio y grafito. (Existen otros tipos de batería que emplean iones de litio, pero esta es una de las más comunes).

Las reacciones químicas que se dan en la batería de dioxido de cobalto y litio son del tipo redox. Es decir, reacción de reducción-oxidación: así se llaman las reacciones en las que se transfieren electrones entre los reactivos.

Reacción de oxidación (ánodo)

La que se da en el ánodo es una reacción de oxidación. El ánodo lo constituye un compuesto de intercalación de litio en grafito (LiC6).

Al descargarse la batería, el compuesto litio-grafito se transforma en grafito (C6) e iones positivos de litio (Li+), al tiempo que se libera un electrón (e-):

LiC6 → C6 + Li+ + e-

Reacción de reducción (cátodo)

En el cátodo de la batería tiene lugar la reacción de reducción. Se dice que un elemento se reduce cuando gana electrones.

En este electrodo, el óxido de cobalto (CoO2) se combina con los iones de litio y se forma óxido de litio-cobalto (LiCoO2). Para que la reacción tenga lugar, hace falta un electrón (e-):

CoO2 + Li+ + e- → LiCoO2

Reacción completa e interpretación

La reacción completa redox de una batería de grafito y dioxido de cobalto-litio es la siguiente:

LiC6 + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2

Se interpreta de la siguiente manera:

  • De izquierda a derecha: descarga de la batería
  • De derecha a izquierda: carga de la batería

Así, una vez que todo el óxido de cobalto y el compuesto de intercalación litio-cobalto han reaccionado para transformarse en grafito y dioxido de cobalto-litio, ya no queda energía química que pueda seguir liberando electrones. La batería está agotada.

Sera entonces cuando el cargador de la herramienta eléctrica aporte los electrones imprescindibles para la reacción de reducción. Sin ellos sería imposible devolver estos reactivos a la forma que tenían cuando la batería estaba cargada.

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