Robert De Bruce/Flickr

La historia de las baterías de iones de litio es explosiva

La reciente crisis con la batería de los Galaxy Note 7 no solo es un problema técnico sino que revela algunos de los graves problemas con nuestra manera de fabricar productos de consumo.
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El retiro global masivo que implementó Samsung de su Galaxy Note 7 de nuevo centra la atención en los peligros de las baterías de iones de litio –en específico en el peligro de que las baterías de iones de litio exploten. Samsung anunció por primera vez el retiro el 2 de septiembre, y solo una semana más tarde tomó la extraordinaria decisión de pedirle a sus clientes que apagaran los teléfonos de inmediato y los intercambiaran por las unidades de reemplazo. La Administración Federal de Aviación (FAA) emitió una advertencia urgente solicitando a los pasajeros que no utilicen ni siquiera empaquen el Note 7 en su equipaje documentado. Las aerolíneas alrededor del mundo de inmediato prohibieron el uso y la carga del teléfono durante el vuelo.

Las baterías recargables de litio son ubicuas y, por fortuna, la mayoría funcionan bien. Son la fuente de energía preferida por la industria de las aplicaciones móviles gracias a sus largos periodos de operación. Se utilizan en todo tipo de aparato, desde herramientas inalámbricas hasta cigarros electrónicos, a los nuevos audífonos inalámbricos de Apple. Y la mayor parte del tiempo, los usuarios las dan por hecho. En cierto sentido, la batería es la máxima caja negra de la tecnología. La mayoría están integradas en las aplicaciones y no se venden al menudeo. Por esto, es una tecnología que no está a la vista y que nadie tiene en mente, y no recibe el crédito que merece como el elemento que facilitó la revolución de la computación móvil. De hecho, la batería recargable de litio es tan importante en este sentido como el microprocesador. Y en un futuro puede cambiar la cara del transporte automovilístico como fuente de energía para los automóviles eléctricos.

Así que es imposible imaginar la vida moderna sin la energía que proveen los iones de litio. Y la sociedad ha asumido el riesgo calculado de proliferarlas. Los científicos, los ingenieros y los ejecutivos corporativos hace tiempo que hicieron el pacto fáustico con la química al crear esta tecnología, cuyos orígenes datan de mediados de los setenta. Algunas variantes utilizan materiales altamente energéticos pero igualmente volátiles que requieren sistemas de control muy precisos. En general, estos sistemas operan como deben. Algunas veces, sin embargo, el genio del litio escapa de la lámpara con consecuencias catastróficas.

Esto sucede con mayor frecuencia de lo que usted cree. Desde el final de la década de los noventa y principios de los dos miles, ha habido una redoble de advertencias sobre la seguridad de los productos e igual número de retiros del mercado de baterías de litio recargables que ardieron o estallaron en todo tipo de aplicación inalámbrica incluyendo cámaras, computadoras portátiles, patinetas eléctricas, vaporizadores y ahora, teléfonos. Mucho más amenazante aún, ha habido baterías de litio que se encendieron en vuelos de aerolíneas comerciales, y pudo haber sido factor en por lo menos un importante accidente fatal, tanto que la FAA se vio obligada en 2010 a emitir una recomendación de restringir su carga en masa en aviones de pasajeros. A inicios de 2016, la Organización Internacional de Aviación Civil prohibió tajantemente el transporte de baterías de iones de litio como carga en aviones de pasajeros.

Así que el fiasco del Galaxy Note 7 no es una simple nota sobre cómo Samsung erró el despliegue de su última arma en la guerra de los teléfonos inteligentes. Es una historia que trata acerca de la naturaleza de la innovación en la era postindustrial, una que destaca las consecuencias no previstas de la revolución en tecnologías de la información y la globalización desde hace treinta años.

En esencia, la diferencia entre una práctica batería de litio y una incendiaria puede reducirse a tres causas: el modo en el que la industria las fabrica, el modo en el que se integran con las aplicaciones a las que activan y el modo en el que los usuarios tratan estos enseres. Cuando una batería de litio se descarga, los iones de litio que recubren el electrodo negativo o ánodo (comúnmente hecho de grafito) pierden electrones, que pasan a un circuito externo para hacer trabajo útil. Los iones migran entonces a través de un material conductivo conocido como electrolito (comúnmente un solvente orgánico) y se alojan en espacios en el electrodo positivo o cátodo, una estructura de óxido.

Hay una variedad de químicas para las baterías de litio y algunas son más estables que las otras. Algunas, como las de oxido de litio cobalto, una fórmula común para los electrónicos de consumo, son muy inflamables. Cuando esas variedades se encienden, el resultado es una llamarada que puede ser difícil de extinguir debido a que la fuente de oxidante propia de la batería.

Para asegurar que mezclas así de inestables permanezcan bajo control, los fabricantes de las baterías tienen que apegarse a estrictos controles de calidad. Sony aprendió la lección cuando era pionero de la tecnología de baterías de litio recargables en la década de los ochenta. En un principio, el proceso químico que utilizó la empresa para fabricar el material catódico (óxido de litio cobalto) producía un polvillo fino y esos gránulos tenían una gran área superficial. Eso incrementaba el riesgo de incendio, así que Sony tuvo que inventar un proceso para hacerlas más ásperas.

Una complicación adicional es que las baterías de iones de litio pueden fallar de muchos modos distintos. Recargarlas muy rápido o mucho puede provocar que los iones de litio se distribuyan de manera desorganizada en el ánodo y crean dendritas que pueden puentear a los electrodos y causar un corto circuito. Los cortos circuitos también pueden suceder debido al daño físico a la batería, o por deshacerse de ella de un modo inadecuado, o simplemente por cargarla en un bolsillo junto con monedas de metal. El calor, ya sea interno o ambiental, puede provocar que el electrolito inflamable genere gases que reaccionen de manera incontrolable con otros materiales en la batería. Esto se conoce como una fuga térmica y es prácticamente imposible de detener una vez iniciada.

Así que las baterías de iones deben estar equipadas con varias características de seguridad, incluidos interruptores de corriente y mecanismos de ventilación para los gases. La característica más básica es el tabique separador, una membrana de polímero que previene que los electrodos entren en contacto y creen un corto circuito que enviaría la energía directa al electrolito. Los separadores también inhiben a las dendritas al tiempo que ponen la mínima resistencia al transporte iónico. En pocas palabras, el separador es la última línea de defensa en contra de la fuga térmica. Algunas baterías de varias celdas, incluidas las que usan los vehículos eléctricos, aíslan las celdas individuales para contener las fallas y emplean costosos y elaborados sistemas de gestión térmica y de enfriamiento.

Algunas autoridades adscriben la crisis de las baterías de Samsung a problemas con los separadores. Los funcionarios de Samsung han sugerido que este puede ser el caso, como cuando dijeron que una error en la fabricación provocó que el ánodo y el cátodo entraran en contacto. No han asegurado que el separador sea el motivo de esta falla.

En cualquier caso, es revelador que para Samsung, el problema es completamente de la batería, no el teléfono en sí. Lo que esto implica es que con un mejor control de calidad se resuelve el problema. No hay duda que ayudaría. Pero fabricar un producto electrónico es muy complejo como para que pueda haber una solución sencilla. Desde hace tiempo ha habido un enorme abismo cultural, organizacional e intelectual entre aquellos que crean baterías y aquellos que crean productos electrónicos, y esto inhibe a los productores de pensar en las aplicaciones y las baterías como sistemas holísticos. Este distanciamiento lo acentúa el outsourcing y offshoring de la investigación industrial, el desarrollo y la fabricación, una consecuencia de las presiones competitivas de la globalización.

El resultado de todo esto ha sido una crisis extensa en la seguridad de los productos. Para finales de los noventas y principios de los dos miles, los diseñadores de computadoras portátiles ofrecieron procesadores más veloces que generaban más calor y requerían más energía. La forma más simple y barata que los diseñadores de celdas de litio hallaron para cumplir con la demanda fue hacer que los separadores fueran más delgados para hacer espacio para tener más material reactivo, lo que provocaba problemas de manejo del calor y estrechó los márgenes de seguridad.

Las presiones económicas erosionaron aún más estos márgenes. Durante los noventa, el sector de las baterías de litio recargables se convirtió en una industria altamente competitiva y de bajos márgenes dominada por unas cuantas empresas afincadas en Japón. Desde el año 2000 en adelante, estas compañías migraron sus fábricas a Corea del Sur y a China que dieron como resultado  extensas fallas y una alta taza de mermas.

Todos estos factores formaron parte de la crisis del 2006 con las baterías de las computadoras portátiles. Una serie de incidentes provocaron el mayor retiro de productos en la historia de la electrónica de consumo, más o menos 9.6 millones de baterías fabricadas por Sony. La empresa atribuyó el problema a errores de fabricación que contaminaron las celdas con fragmentos microscópicos de metal. Mientras los fabricantes de equipo original dispersando sus cadenas de suministros y sigan subcontratando producción, establecer controles de calidad seguirá siendo todo un reto

Otro problema es que los fabricantes de enseres, como computadoras portátiles o teléfonos no necesariamente saben cómo integrar adecuadamente las celdas de litio producidas por fuera en baterías seguras para los enseres. Sony dejó entrever esto durante la crisis del 2006. Al tiempo que admitía sus problemas con el control de calidad, la compañía sugirió que algunos fabricantes de computadoras portátiles cargaban de manera incorrecta sus baterías y señalaba que la configuración de la batería, el manejo térmico y los protocolos de carga no estaban unificados a través de la industria.

Mi análisis de los retiros amparados por la Comisión de Seguridad en los Productos de Consumo de Estados Unidos (U.S. Consumer Product Safety Commission), que será publicado en la revista Technology & Culture en enero de 2017, sugiere que puede haber algo de verdad en esto último. Casi la mitad de las baterías retiradas (4.2 millones) en 2006 fueron de baterías para computadoras portátiles Dell, una compañía cuyo modelo de negocios se basaba en integrar partes baratas producidas por terceros y reducir así los costos de I&D. En agosto de 2006, el New York Times citó a un ex empleado de Dell que aseguraba que la compañía había suprimido cientos de incidentes de fallos catastróficos de sus baterías desde 2002. En contraste, solo unos cuantos incidentes de los reportados entonces involucraban baterías Sony en computadoras de la misma marca.

En este sentido, entonces, los fogonazos en las baterías de iones de litio son consecuencia del modo en el que hemos estructurado nuestra sociedad. No tenemos protocolos de seguridad uniformados para toda una serie de problemas relacionados con las baterías de iones de litio, incluido el modo de transportarlas y de desecharlas, ni del modo seguro de rescatar pasajeros de accidentes que involucran automóviles eléctricos que usan estas baterías. Tales medidas van a la saga de nuestra búsqueda de mayor conveniencia y utilidades al llevar al límite físico a las baterías de iones de litio. Hay pocas tecnologías menos indulgentes con el modo obstinado con el que los seres humanos nos abrimos paso en el mundo. Los científicos buscan alternativas más seguras, pero en el inter esperemos muchas sorpresas desagradables más cortesía de las tecnologías existentes.

 

 

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