La carrera para desarrollar la batería de la próxima generación

imagen: Water for People/ Steve Zylius/UCI

La carrera para desarrollar la batería de la próxima generación

Ya sea en una computadora portátil o en un teléfono inteligente, hay muchas posibilidades de que todos los días esté utilizando varias baterías de iones de litio. Desde que llegaron al mercado en la década de 1990, estas baterías recargables han contribuido a que nuestras computadoras y dispositivos sean portátiles y, cada vez más, nuestros vehículos también lo sean.

Pero las baterías de iones de litio no carecen de defectos. El suministro mundial de litio es limitado, y las empresas y los consumidores demandan constantemente baterías más seguras, duraderas y con mayor energía. Mientras tanto, los nuevos usos de las baterías están emergiendo rápidamente, incluidos los vehículos eléctricos y el almacenamiento de la red, generando el aumento de la demanda baterías óptimas.

Para satisfacer estas necesidades, se ha puesto en marcha una carrera por desarrollar una nueva generación de baterías, aunque todavía se desconoce cómo serán y cómo mejorarán las actuales.

Energía en movimiento
Una batería, en sus términos más simples, se compone de un cátodo, un ánodo y un electrolito. Los electrones cargados negativamente fluyen a través del electrolito desde el ánodo con carga negativa hasta el cátodo con carga positiva. Este flujo de electrones es una corriente.

Generalmente, los cátodos están hechos a partir de un óxido de metal de litio, por lo que las baterías bajo este tipo de cátodo se denominan baterías de iones de litio. Este tipo de batería es la más popular, ya que logran contener mucha energía y de manera más eficiente en un espacio pequeño como su teléfono móvil. Cuando se trata de cargar y descargar, el litio puede triplicar la densidad de energía que la que otorgan 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, la principal barrera contra el cortocircuito es un deslizamiento delgado y poroso de polipropileno (un tipo de plástico) que impide que el cátodo y el ánodo se toquen entre sí. Si el separador se rompe o se erosiona, los electrodos pueden entrar en contacto y la batería se calentará extremadamente rápido. Las baterías se llenan con un electrolito inflamable, que puede arder cuando se calienta, algo que puede desencadenarse fácilmente por un cortocircuito. Y para colmo, los electrolitos líquidos también pueden tener fugas.

Mejores electrolitos
Para superar estos problemas, los investigadores están analizando alternativas de estado sólido.
“Las limitaciones actuales están asociadas con el electrolito líquido”, dice John B. Goodenough, profesor de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales en la Universidad de Texas en Austin.

El electrolito limita cuántas veces se puede cargar y descargar la batería, afirma Goodenough, junto con la rapidez con la cual 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 establecidos sobre un electrolito son altos. Debe conducir electricidad, resistir altos voltajes y permanecer estable electroquímica y térmicamente durante un largo período de tiempo. Esta es la razón por la cual desarrollar una alternativa en estado sólido es tan desafiante.

El año pasado, los investigadores de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales desarrollaron un electrolito en estado sólido que compite en términos de eficiencia con los electrolitos líquidos habituales. Tiene una conductividad comparable a un electrolito líquido a temperatura ambiente, y es estable a temperaturas de hasta 150 grados Celsius. Por el contrario, los electrolitos líquidos presentan un riesgo de seguridad ante temperaturas tan altas.

En 2016, los investigadores de Toyota publicaron un artículo sobre una batería de iones de litio de estado sólido que puede cargarse completamente en tan solo siete minutos.

Las baterías de litio y azufre, que se basan en una química completamente diferente, representan otro tipo de batería con un futuro prometedor. Teóricamente, pueden almacenar una gran carga y usar azufre, el cual es abundante.

Más barato y más duradero
Los costos de la batería han disminuido significativamente en los últimos años debido a que la demanda ha aumentado y han surgido más usos, como en los vehículos eléctricos y el almacenamiento en la red. Pero para que los vehículos eléctricos sean asequibles y prácticos para conducir largas distancias, las baterías deben ser aún más baratas de producir y poseer un mayor ciclo de vida.

En 2014, Johnson Matthey, una empresa británica especializada en tecnologías sostenibles adquirió una instalación de investigación de baterías en Changzhou, al sur de China, para mejorar la eficiencia de la batería en los automóviles. Han establecido que la vida útil de las baterías para automóviles autónomos deberá coincidir con la del vehículo, posiblemente entre los 10 a los 15 años. Esto significa que los clientes no se verán frustrados por la compra de un automóvil eléctrico debido a la limitada vida útil de la batería. Por el momento, la mayoría de los fabricantes ofrecen garantías de que las baterías durarán alrededor de ocho años o 100,000 millas.

Uno de los mayores inconvenientes de las baterías de iones de litio es que su capacidad se desvanece con el tiempo, asegura Lei Cheng, científico del Centro Conjunto para la División de Investigación de Almacenamiento de Energía y Ciencia de Materiales en el Laboratorio Nacional de Argonne en los Estados Unidos. “Esto es causado por reacciones químicas indeseadas que ocurren durante la carga / descarga, como también cuando 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 costosa ya que usa metales como el cobalto y el litio, y existe una falta de métodos económicos para su 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 en estado sólido sin una estructura cristalina ordenada. “Este electrolito está disponible, pero el desarrollo de la batería todavía espera junto con los acuerdos de licencia”, dice Goodenough.

Red de almacenamiento
Junto a los autos eléctricos, el almacenamiento en red es otra área en la cual las baterías a gran escala desempeñarán un papel cada vez más importante. La cantidad de energía renovable de la energía solar y eólica en un momento dado depende del clima, lo que la hace intermitente. Las baterías pueden ayudar a estabilizar las redes mediante el almacenamiento de energía de manera eficiente.

“Las baterías de iones de sodio podrían ser una alternativa económica a la de los iones de litio en el mercado de almacenamiento de la red”, afirma Cheng. “Las baterías de iones de sodio funcionan de manera similar a las de iones de litio, pero en su lugar usan sodio, que es más fácil de conseguir”.

La Dra. Emma Kendrick, química de materiales en la Universidad de Warwick en el Reino Unido, se encuentra investigando sobre la batería de iones de sodio. “Esta es una alternativa de bajo costo a las baterías de iones de litio”, asegura. “Todavía está en una etapa prematura, pero hay oportunidades para realizar investigaciones sobre la fabricación y la durabilidad de esta 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”, afirma Cheng, y agrega: “Contienen dos compuestos químicos separados por una membrana. Los compuestos pueden fluir a través de la membrana, creando energía química, pero también pueden volver al punto hacia donde comenzaron, lo que genera la recarga de la batería”.

Hay muchas otras opciones. En febrero de este año, científicos de la Universidad de California en Irvine crearon baterías nanocables de oro que pueden soportar la mayor recarga que nunca antes haya existido, cientos de veces en su vida. El equipo espera que esto algún día conduzca a baterías que puedan durar indefinidamente.

El grafeno también puede ser un componente para la batería del futuro. Una compañía española llamada Grabat dice que sus baterías de grafeno pueden proporcionar energía para que un vehículo eléctrico viaje 500 millas con una sola carga. A modo de comparación, el Modelo 3 de Tesla puede viajar 215 millas con una carga.

Aunque 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 seguirá existiendo por un tiempo. “En los próximos cinco años, las baterías de iones de litio seguirán dominando”, dice el Dr. Tao Liu, investigador asociado de la Universidad de Cambridge.

Mientras tanto, los científicos están tratando de desarrollar mejores formas en el reciclaje baterías de iones de litio. Esto reducirá el impacto ambiental de la extracción de más litio, otro proceso costoso.

Este artículo fue publicado inicialmente en China Dialogue

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