La batería como fuente de contaminantes

Mercurio, cadmio y plomo: en realidad, estos metales pesados están muy limitados en las pilas modernas, pero una y otra vez se encuentran en dosis excesivas en estas prácticas fuentes de energía. Por ello, los organismos oficiales se sienten obligados a realizar más controles. La base para ello la proporciona la Empa suiza, que está desarrollando un método de control especial.

Desde un punto de vista neutral, las pilas tienen muchas desventajas. Son caras, se agotan rápidamente, sólo suministran corriente continua (salvo algunos diseños especiales) y además ensucian. Sin embargo, es imposible imaginar nuestra vida sin ellas como dispositivos de almacenamiento de energía.

Ya sea en la industria, en el ejército, en el sector de la movilidad o en los hogares: cumplen su cometido en muchos ámbitos como baterías de arranque, como reserva en la industria, en artículos de consumo como juguetes, relojes, radios, portátiles, teléfonos móviles y linternas. Pero también se utilizan en aplicaciones médicas como audífonos, marcapasos y aparatos de medición.

La demanda de pilas -que también incluyen las recargables- es enorme. Debido a la extrema demanda de las materias primas utilizadas para almacenar electricidad, éstas ya empiezan a escasear y, en consecuencia, a encarecerse. Otra causa de la escasez de materias primas es el creciente número de vehículos eléctricos, barcos e incluso aviones. Por eso se está investigando intensamente para sustituir los materiales escasos o incluso raros por otros más comunes.

Ingredientes de ciertas pilas como el cadmio o el plomo son perjudiciales para la salud o incluso tóxicos

Además, algunos ingredientes de ciertas pilas, como el cadmio o el plomo, son nocivos o incluso tóxicos para la salud. También en este caso, los científicos buscan sustitutos no problemáticos. Y, de hecho, hay enfoques de investigación prometedores para seguir mejorando la sostenibilidad de las baterías.

Aunque muchos tipos de pilas de uso extendido -como las de iones de litio- ya están disponibles en el mercado hoy en día sin metales pesados, sigue habiendo tipos de pilas antiguas con metales pesados. En Suiza, por ejemplo, se vende una gran variedad de modelos de pilas, principalmente a través de grandes distribuidores. Se diferencian, por ejemplo, en los materiales utilizados. Muchas funcionan a base de zinc-manganeso o iones de litio, que no contienen metales pesados. En la UE y países próximos a ella, como Suiza y Noruega, el comercio y la venta de pilas que contienen mercurio (Hg) o cadmio (Cd) están muy restringidos. Existe un valor límite de 5 mg/kg para el mercurio en las pilas y de 20 mg/kg para el cadmio. El plomo debe declararse en la pila o en su embalaje si supera los 40 mg/kg en masa.

Pero, ¿de qué sirven las normas si no es posible comprobar si se cumplen? Hasta hace poco, apenas había forma de comprobar su cumplimiento; sencillamente, no existía ningún método fiable y reconocido para determinar con precisión los elementos mencionados en las baterías.

Una analítica innovadora resuelve difíciles tareas químicas

Por ello, un equipo del departamento de investigación de Tecnologías Analíticas Avanzadas de Empa, dirigido por el químico Renato Figi, se puso a desarrollar un método para analizar los metales pesados mercurio, plomo y cadmio en diversos tipos de pilas por encargo de la Oficina Federal Suiza de Medio Ambiente (FOEN). Una tarea que no resultó nada sencilla. A diferencia de muchos objetos, que pueden triturarse para analizar su contenido y luego analizar los elementos químicos en una solución con diversos espectrómetros, las pilas no pueden triturarse sin más. Incluso el intento de abrir una batería puede ser bastante peligroso. Una y otra vez se han producido accidentes en los que las baterías han explotado como resultado de tales manipulaciones.

Tras descargar y abrir por la fuerza la batería, el observador se encuentra con una imagen muy simple de su funcionamiento interno. Sin embargo, la composición de los productos químicos utilizados suele ser compleja.

Claudia Schreiner no podía exponerse a este peligro en el laboratorio de Empa. Por eso recurrió a un colega de Empa, especialista en el campo de las pilas y sus peligros. Marcel Held, del departamento de "Transporte en interfaces a nanoescala", le aconsejó ante todo que descargara cuidadosamente todas las baterías que fuera a analizar. Sólo entonces debería atreverse a mirar dentro de una pila.

Pero no todas las baterías son iguales. Existen innumerables diseños diferentes. Incluso si una batería parece gemela por fuera, la estructura interna puede diferir significativamente. Y algo más surgió durante el trabajo: Las sustancias potencialmente peligrosas no siempre se encuentran donde cabría esperar. Pueden estar en una carcasa aparentemente inofensiva.

Análisis fiables incluso a niveles de trazas

Pero el minucioso trabajo en el laboratorio ha dado sus frutos: el innovador método de Empa permite ahora determinar con fiabilidad los ingredientes de las pilas comunes a niveles de trazas. Para analizar las pilas, primero hay que descargarlas y luego separarlas. Los distintos componentes de los diferentes tipos de pilas se clasifican y luego se disuelven hirviendo una mezcla ácida a presión. Esto permite disolver los metales pesados y analizarlos espectroscópicamente.

Sólo las pilas de botón pequeñas -debido a su reducido tamaño- pueden disolverse en su totalidad para su análisis en el espectrómetro tras su descarga en ácido. Todas las demás pilas y pilas de botón grandes deben desmontarse y triturarse cuidadosamente, es decir, laboriosamente.

El método permite ahora comprobar el cumplimiento de la normativa vigente. Se está utilizando en el marco de una amplia campaña de la FOEN. Para garantizar que las muestras aleatorias de los distintos tipos de baterías ofrezcan una imagen lo más representativa posible, a lo largo de este año se seleccionarán unas 80 baterías diferentes que se analizarán en Empa. El laboratorio cantonal de Zúrich se encarga de la campaña. Los resultados se esperan para 2024.

Todas las fotos: Empa