Investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur, han desarrollado una técnica para convertir el papel usado de envases y bolsas de un solo uso, así como de cajas de cartón, en un componente crucial de las baterías de iones de litio. Mediante un proceso denominado carbonización, que convierte el papel en carbono puro, transformaron las fibras de papel en electrodos.

Breve historia de las pilas

Aunque la mayoría de los historiadores consideran que las pilas se inventaron finales del siglo 18, en 1938 Wilhelm Konig descubrió en Iraq un vaso de cerámica de 13 cm que contenía un cilindro de cobre con una barra de hierro en su interior; la llamada batería de Bagdad, fue elaborada hace 2000 años, pero no se sabe para qué era utilizada.

En 1798 el físico italiano Alessandro Volta construyó su primera “pila voltaica” que consistía en una pila de pares de discos de cobre y zinc separados entre sí por discos de cartón humedecidos con una solución salina o ácida. En 1836 el químico Inglés John F. Daniel mejoró la eficiencia del diseño de Volta evitando los problemas de corrosión.

En 1868 el químico francés Georges Leclanche diseñó un elemento “húmedo”, el precursor del elemento “seco” o pila de linterna y en 1888 el científico alemán Dr. Carl Gassner inventó el elemento “seco”, un elemento muy parecido a las actuales pilas de carbono-zinc. En el Smithsonian National Museum of History se puede ver el primer prototipo de elemento alcalino construido a mano por el científico de Energizer, el fallecido Lew Urry.

La primera pila se comercializa en Estados Unidos

En 1896 se comercializó, en el mercado en Estados Unidos, Columbia, la primera pila de elemento seco fabricada por la National Carbon Compañy, que se convirtió en la Eveready Battery Company, actualmente conocida como Energizer.

La historia de las pilas y el desarrollo de aparatos y dispositivos que utilizamos en nuestra vida diaria, van de la mano. En 1898, Conrad Hubert, conocido como el fundador de la Eveready Battery Company, inventó la linterna eléctrica de mano que contenía una pila de elemento seco, una bombilla y un reflector de latón basto dentro de un tubo de papel y ese mismo año la empresa Eveready introdujo la pila de tamaño D para la primera linterna de mano. Ese fue sólo el comienzo del desarrollo de las pilas Eveready.

Entre 1955 y 1960 Eveready creó las primeras pilas miniatura para audífonos, la primera pila de 9 V, utilizada hoy en día en los detectores de humo, la primera pila comercial para relojes de pulsera, introdujo el sistema de pilas recargables de níquel-cadmio (NiCd), desarrolló las primeras pilas alcalinas cilíndricas comercialmente viables, revolucionando la energía portátil y fabricó las primeras pilas en miniatura con el sistema de óxido de plata para uso en audífonos y relojes.

En 1989 Eveready dirigió las iniciativas medioambientales del sector para eliminar el uso de mercurio en las pilas. De 1991 a 2010 la empresa comercializó la primera pila de audífono sin mercurio del mundo, introdujo la primera pila alcalina AAAA,

la primera pila de litio AA del mundo que es la pila de mayor duración y se utiliza en dispositivos de alta tecnología. También introdujo el primer comprobador de pilas incorporado, las pilas recargables de NiMH de alta energía, las pilas de titanio, y pilas de litio AAA, entre otros productos.

 

Las pilas contaminan el medio ambiente

Hoy en día no podemos concebir la vida sin las pilas, las utilizamos en los relojes, celulares, radios portátiles, controles, juguetes, computadoras de escritorio y portátiles, entre otros, sin embargo, las pilas que le dan vida a nuestros aparatos y equipos son muy dañinas para el medio ambiente debido a los elementos que contienen.

Una pila desechada inadecuadamente puede contaminar el suelo y el agua. La lluvia, el calor y la acidez del suelo aceleran el proceso de descomposición de la batería liberando mercurio, litio, plomo o cadmio: todos altamente tóxicos y cuyo efecto contaminante puede durar hasta 500 años. Por ello, tanto las baterías recargables como las desechables se clasifican como residuos peligrosos y no deben tirarse a la basura.

Las más comunes en los hogares son las alcalinas, no recargables, que contienen zinc y magnesio. También están las de cadmio, níquel, hidruro de metal o iones de litio. Todas son recargables y se utilizan en celulares, laptops, máquinas de afeitar, cámaras digitales y alarmas de casa. Aunque sean recargables contaminan mucho cuando se desechan porque ya no pueden mantener la carga.

Todas las baterías son tóxicas, pero algunas son más tóxicas que otras, como las de níquel y cadmio que son extremadamente tóxicos para los humanos y los animales; las pilas de relojes -botón- y la micro pila de mercurio que se utiliza en relojes, audífonos o auxiliares auditivos tienen un alto nivel de toxicidad y contaminan más rápido los suelos. Estas pilas contaminan, en promedio, 600 mil litros de agua mientras que una batería alcalina contamina alrededor de 167 mil litros y la pila de zinc, aproximadamente 12 mil litros.

Para cuidar el medio ambiente debemos deshacernos de las baterías correctamente. Guárdalas en una botella de plástico de refresco de 1 o 2 litros, para encapsularlas y agrega aserrín seco que sirve como colchón absorbente. Entrégalas en un lugar de recolección, generalmente en los supermercados.

Las botellas con pilas son introducidas dentro de un molde que llenan con cemento, para encriptar las baterías dentro del material y aislarlo, con lo que se convierte en un “pasivo ambiental”. Sin embargo, si queremos ayudar a preservar nuestro medio ambiente, debemos buscar alternativas menos contaminantes, recurrir a energías renovables y aprovechar los recursos naturales.

Los electrodos de papel para baterías de iones de litio

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur, han desarrollado una técnica para convertir el papel usado de envases y bolsas de un solo uso, así como de cajas de cartón, en un componente crucial de las baterías de iones de litio. Mediante un proceso denominado carbonización, que convierte el papel en carbono puro, transformaron las fibras de papel en electrodos.

Para carbonizar el papel se expuso a altas temperaturas, para reducirlo a carbono puro, vapor de agua y aceites que pueden utilizarse como biocombustible. Debido a que la carbonización se realiza en ausencia de oxígeno, el proceso emite cantidades insignificantes de dióxido de carbono por lo que es una alternativa más ecológica para la eliminación del papel Kraft, ya que mediante la incineración se producen grandes cantidades de gases de efecto invernadero.

Los ánodos de carbono producidos por los investigadores demostraron ser duraderos, flexibles y electroquímicamente adecuados. Las pruebas de laboratorio demostraron que los ánodos podían cargarse y descargarse hasta 1,200 veces; al menos el doble de lo que duran los ánodos de las baterías de los teléfonos actuales. Además, podrían soportar más estrés físico que sus homólogas, absorbiendo la energía de aplastamiento hasta cinco veces mejor.

Los científicos explicaron que este nuevo método también utiliza procesos que consumen menos energía y metales pesados en comparación con los métodos industriales actuales para fabricar ánodos de baterías. Como el ánodo representa entre el 10% y el 15% del costo total de una batería de iones de litio, se espera que la técnica abarate también el costo de su fabricación.

Para fabricar los ánodos de carbono, los científicos unieron y cortaron con láser varias láminas finas de papel kraft para formar diferentes geometrías reticulares. Posteriormente, el papel se calentó a 1,200 °C en un horno sin presencia de oxígeno, para convertirlo en carbono y formar los ánodos.

La disposición de las fibras de papel otorga al ánodo mayor durabilidad, flexibilidad y propiedades electroquímicas. Esta combinación de resistencia y dureza mecánica permitirá a las baterías de teléfonos, ordenadores portátiles y coches soportar mejor los golpes de caídas y choques.

La tecnología actual de las baterías de litio se basa en electrodos internos de carbono que se agrietan y desmoronan gradualmente tras los golpes físicos de las caídas, acortando la vida útil de las baterías.

Sin embargo, “este nuevo método convierte un material común y ubicuo -el papel- en otro extremadamente duradero y muy demandado”, afirma Lai Changquan, director del proyecto, y “Esperamos que nuestros ánodos sirvan a la creciente necesidad mundial de un material sostenible y más ecológico para las baterías, cuya fabricación y gestión inadecuada de residuos han demostrado tener un impacto negativo en nuestro medio ambiente”.

 

Economía circular

 La Universidad Tecnológica de Nanyang ha realizado otros estudios para reducir procesos y materiales que contribuyen a la contaminación y buscar alternativas más sustentables, como los ánodos para las pilas.

Los científicos encontraron que además de los residuos metálicos, los de papel son también un problema medioambiental creciente en Singapur, en donde las bolsas de papel desechadas, el cartón, el periódico y otros envases de papel, representaron casi una quinta parte de los residuos generados en 2020.

Las bolsas de papel kraft, que constituyen la mayor parte de los residuos de papel del país, tienen una gran huella ambiental debido al potencial de ecotoxicidad en su producción y a que cuando se incineran los desechos se emiten gases de efecto invernadero que contribuyen al calentamiento global.

En opinión de los científicos, su innovación es una oportunidad para reciclar los residuos, reducir la dependencia de Singapur de los combustibles fósiles, y acelerar la transición del país hacia una economía circular, materiales ecológicos y energía limpia.