La carrera química para crear la próxima generación de baterías de coches eléctricos

Casi con toda probabilidad, estés leyendo este artículo desde un dispositivo con batería de iones de litio, de hecho, es bastante probable que las uses todos los días. Desde que llegaron al mercado en la década de 1990, estas baterías recargables han ayudado a hacer realidad los ordenadores y smartphones que usamos hoy en día, y también a que existan los coches eléctricos que conducimos.

Pero las baterías de iones de litio no están exentas de inconvenientes. El suministro mundial de litio es limitado, y las empresas y los consumidores demandan constantemente baterías que sean más seguras, que duren más y que almacenen más energía. Mientras tanto, están surgiendo rápidamente nuevos usos para las baterías, incluidos los vehículos eléctricos y el almacenamiento en la red.

Para satisfacer estas necesidades, la carrera está en desarrollar la próxima generación de baterías, aunque todavía se desconoce cómo se verán y cómo mejorarán a las actuales. Veamos algunos de los principales retos o puntos de mejor a tener en cuenta de cara a ver el próximo gran salto en cuanto a desarrollo de baterías.

Energía en movimiento

En los términos más simples, una batería está formada por un cátodo, un ánodo y un electrolito. Los electrones con carga negativa fluyen a través del electrolito desde el ánodo con carga negativa hasta el cátodo con carga positiva. Este flujo de electrones es una corriente. Los cátodos generalmente están hechos de óxido de litio metálico, por lo que las baterías con este tipo de cátodos se llaman baterías de iones de litio.

Estos son los más populares porque acumulan mucha energía en un espacio pequeño como su teléfono móvil. Cuando se trata de cargar y descargar, el litio puede proporcionar tres veces la densidad de energía de las baterías recargables convencionales. La mayoría de las baterías de iones de litio están compuestas por un ánodo de grafito y un electrolito orgánico líquido.

Dentro de la batería, una capa delgada y porosa de polipropileno (un tipo de plástico) impide que el cátodo y el ánodo se toquen entre sí. Si el separador se rompe o erosiona, los electrodos pueden entrar en contacto y la batería se calentará. Las baterías se llenan con un electrolito inflamable, que puede quemarse cuando se calienta, algo que puede activarse fácilmente por un cortocircuito.

 

Mejores electrolitos

Para superar estos problemas, los investigadores están explorando alternativas de estado sólido. «Las limitaciones actuales están asociadas con el electrolito líquido», dice John B. Goodenough, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Universidad de Texas.

El electrolito limita la cantidad de veces que se puede cargar y descargar la batería, dice, junto con la rapidez con que se puede recargar la batería y la cantidad de energía que puede almacenar. La nueva generación de baterías será de iones de litio, pero utilizará diferentes electrolitos. Por ejemplo, pueden tener un electrolito de estado sólido en lugar de líquido.

Los requisitos de un electrolito son altos. Debe conducir electricidad, soportar altos voltajes y mantener un equilibrio electroquímico y térmico durante un largo período de tiempo. Es por esto que desarrollar una alternativa de estado sólido es tan desafiante. El año pasado, investigadores de Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology desarrollaron un electrolito de estado sólido que compite con los electrolitos líquidos habituales en términos de eficiencia.

Tiene una conductividad comparable a la de un electrolito líquido a temperatura ambiente y es estable a temperaturas de hasta 150ºC. En contraste, los electrolitos líquidos representan un riesgo de seguridad a temperaturas tan altas. En 2016, los investigadores de Toyota publicaron un artículo sobre una batería de iones de litio de estado sólido que se puede cargar completamente en solo siete minutos.

Las baterías de azufre de litio, que se basan en una química completamente diferente, son otra batería prometedora para el futuro. Teóricamente, pueden almacenar una carga grande y usar azufre, que es abundante.

 

Más barato y más duradero

Los costos de las baterías han disminuido significativamente en los últimos años a medida que la demanda ha aumentado y han surgido más usos, como en coches eléctricos y almacenamiento en la red. Pero para hacer que los vehículos eléctricos sean asequibles y prácticos para conducir largas distancias, las baterías deben ser incluso más baratas de producir, y que su ciclo de vida sea mayor.

En 2014, Johnson Matthey, una compañía británica especializada en tecnologías sostenibles, adquirió una instalación de investigación de baterías en Changzhou, sur de China, para mejorar la eficiencia de la batería en automóviles. Dice que la vida útil de las baterías que se usan en automóviles autónomos tendrá que coincidir con la del vehículo, posiblemente hasta 10 o 15 años.

Esto significa que los clientes no dejarán de comprar un automóvil eléctrico debido a la vida útil de la batería. En este momento, la mayoría de los fabricantes ofrecen garantías de que las baterías durarán alrededor de ocho años, o 100.000 km. Uno de los mayores inconvenientes de las baterías de iones de litio es que su capacidad disminuye con el tiempo, dice Lei Cheng, del Centro Conjunto para la Investigación de Almacenamiento de Energía y la División de Ciencia de Materiales en el Laboratorio Nacional de Argonne en los Estados Unidos.

«Esto se debe a reacciones químicas no deseadas que ocurren durante la carga / descarga, así como mientras la batería está en reposo».

El problema es aún peor cuando la temperatura es alta. Además, la batería de iones de litio sigue siendo bastante cara porque utiliza metales como el cobalto y el litio, y hacen falta métodos económicos de reciclaje. Este es otro impulsor para encontrar químicos alternativos.

La mejor opción para una batería a gran escala es reemplazar un electrolito líquido con un electrolito de estado sólido sin una estructura de cristal ordenada. «Este electrolito está disponible, pero el desarrollo de la batería con él espera los acuerdos de licencia», dice el Sr. Goodenough.

 

Almacenamiento de red

Junto con los autos eléctricos, el almacenamiento en la red es otra área donde las baterías a gran escala jugarán un papel cada vez más importante. La cantidad de energía renovable proveniente del sol o el viento dependerá de las condiciones del momento, lo que la hace intermitente. Las baterías pueden ayudar a estabilizar las redes al almacenar energía de manera eficiente.

«Las baterías de iones de sodio podrían ser una alternativa económica a los iones de litio en el mercado de almacenamiento en la red«, dice la Sra. Cheng. Las baterías de iones de sodio funcionan de manera similar a las de iones de litio, pero con una ventaja adicional, el sodio está disponible en mayores cantidades.

La Dra. Emma Kendrick, química de materiales de la Universidad de Warwick, está investigando la batería de iones de sodio. «Esta es una alternativa de bajo costo a las baterías de iones de litio», dice. «Todavía está en su infancia, pero hay oportunidades para realizar investigaciones sobre la capacidad de fabricación y la durabilidad de la tecnología».

Las baterías de flujo son otra alternativa.

«Las baterías de flujo también son opciones atractivas, ya que pueden ampliarse fácilmente para proporcionar una gran capacidad», dice Cheng, y agrega: «Contienen dos compuestos químicos que están separados por una membrana. Los compuestos pueden fluir a través de la membrana, creando energía química, pero también pueden regresar a donde empezaron, lo que recarga la batería «.

Hay muchas otras opciones. En febrero de este año, los científicos de la Universidad de California en Irvine crearon baterías de nanocables de oro que pueden soportar más recargas que nunca, cientos de veces durante su vida. El equipo espera que algún día esto lleve a baterías que puedan durar indefinidamente.

El grafeno también puede ser un componente de la batería del futuro. La empresa española Grabat dice que sus baterías de grafeno pueden proporcionar energía a un vehículo eléctrico para viajar 800 km con una sola carga. Si bien nadie puede predecir exactamente cómo será la próxima generación de baterías, hay una gran cantidad de trabajo para resolver el problema.

Las diversas opciones para baterías nuevas, desde baterías de flujo hasta iones de sodio, se encuentran en etapas de desarrollo, pero el ion de litio estará disponible por un tiempo. «En los próximos cinco años, las baterías de iones de litio [aún] seguirán dominando», dice el Dr. Tao Liu, investigador asociado de la Universidad de Cambridge.

Mientras tanto, los científicos están tratando de desarrollar mejores formas de reciclar las baterías de iones de litio. Esto reducirá el impacto ambiental de la extracción de más litio, otro proceso costoso en todos los sentidos. Hay muchas líneas de investigación, pero todas apuntarán en la misma dirección, tener mejores baterías, para los dispositivos móviles y, por supuesto, para los coches eléctricos.

Vía | A greener life, a greener world