El litio es una de las materias primas más codiciadas. Y lo es debido a que este elemento químico es uno de los ingredientes fundamentales de las baterías de nuestros smartphones, ordenadores portátiles o coches eléctricos, entre muchos otros dispositivos. Su producción global se ha cuadruplicado desde 2010, y, aun así, hoy es la materia prima más cotizada en todo el planeta. De hecho, durante 2022 su precio se incrementó nada menos que un 900%.
Desafortunadamente este elemento químico está siendo controlado por muy pocos países. Australia, Chile y China lideran su producción seguidos a cierta distancia por Argentina, Brasil, Zimbabue, Estados Unidos y Portugal. No obstante, este no es el único 'pero' que podemos poner al litio; también es importante que no pasemos por alto que su extracción tiene un profundo impacto medioambiental, y también que tarda varios cientos de miles de años en degradarse una vez que ha sido procesado y deja de ser utilizado.
Además, los procesos a los que es necesario someterlo durante la fabricación de las baterías requieren la utilización de una gran cantidad de agua y energía. Y, de propina, cuando concluye su vida útil las baterías de litio son difíciles de reciclar. En estas circunstancias es evidente que necesitamos alternativas que sean más económicas, y, sobre todo, más respetuosas con el medioambiente. En este artículo os proponemos indagar en algunas de las tecnologías mejor posicionadas para ocupar el lugar que acaparan actualmente las baterías de litio.
Las baterías de estado sólido
Las baterías de iones de litio y las de estado sólido tienen mucho en común. De hecho, estas últimas son una evolución de las primeras, que utilizan una tecnología que ya apenas nos deja margen para continuar desarrollando sus prestaciones. Cada una de las celdas de las baterías de iones de litio está conformada por dos electrodos metálicos o de un material compuesto que están sumergidos en un líquido conductor. Este último es el electrolito, y habitualmente utiliza una sal de litio que contiene los iones que son necesarios para propiciar la reacción química reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo, que son los electrodos.
Las baterías de estado sólido recurren al mismo principio de funcionamiento que las de iones de litio, pero, como hemos visto, utilizan un electrolito sólido en vez de uno en estado líquido. Algunos equipos de investigación llevan décadas trabajando en esta tecnología de baterías y han propuesto electrolitos de cerámica, cristal o nanohilos de oro y manganeso, entre otros materiales exóticos, pero hasta ahora nadie ha salido airoso porque, entre otros retos, las baterías resultantes tienen que ser muy estables y no correr el riesgo de incendiarse.
Estas son las principales bazas que tiene esta tecnología de baterías:
- Su densidad energética es sensiblemente superior a la que nos ofrecen las baterías de iones de litio. Las de estado sólido rozan los 500 Wh/kg, mientras que las de iones de litio quedan por debajo de los 300 Wh/kg
- El incremento de la densidad energética debería tener un impacto directo en la autonomía de los vehículos eléctricos
- La carga de la batería será mucho más rápida. Según algunas empresas en solo 15 minutos será posible llevar una batería completamente descargada al 80% de la carga total
- Su vida útil será más larga gracias a la eliminación de la pérdida de capacidad provocada por la degradación del ánodo
- Las baterías de estado sólido deberían ser más estables y seguras que las de iones de litio debido a que los elementos separadores sólidos no pueden entrar en combustión
- Su producción será más barata y tendrán un menor impacto en el precio final de los coches eléctricos
Algunas empresas ya tienen diseños de estado sólido en una fase de desarrollo muy avanzada, pero la mayor parte de ellas se enfrenta al mismo problema: el escalado de su tecnología. Y es que tienen que trasladar las innovaciones que según ellas han demostrado funcionar bien en las celdas de estado sólido producidas en un laboratorio a las baterías multicapa que van a ser fabricadas masivamente y utilizadas en un escenario de uso real. Y durante este proceso pueden surgir complicaciones.
Las baterías de quitina
Es probable que a muchas de las personas que estáis leyendo estas líneas la palabra 'quitina' no os diga gran cosa, pero este polisacárido es un componente fundamental del exoesqueleto de los artrópodos, como los crustáceos o los insectos. Precisamente la quitina es la responsable de la dureza de esa cobertura rígida que protege su organismo. Todo esto no es nuevo, pero lo que sí es inédito es que esta sustancia tiene varias propiedades que la colocan como una candidata ideal para reemplazar al litio de las baterías.
Cuando se combina con zinc el compuesto en el que interviene la quitina adquiere las propiedades fisicoquímicas idóneas para ser utilizado en la producción del electrolito de las baterías
Este hallazgo lo ha realizado un equipo de investigadores del Centro para la Innovación en Materiales de la Universidad de Maryland (Estados Unidos), y es muy prometedor. Lo es por varios motivos. El más relevante consiste en que cuando se combina con zinc, según estos científicos, el compuesto en el que interviene la quitina adquiere las propiedades fisicoquímicas idóneas para ser utilizado en la producción del electrolito de las baterías. Además, su eficiencia más allá de las primeras 400 horas de utilización es del 99,7%, lo que sobre el papel podría contribuir a la dilatación de la vida útil de las baterías.
No obstante, esto no es todo. Otra de las ventajas que nos proponen las baterías con electrolito de zinc y quitina consiste en que este último componente es biodegradable y se descompone en aproximadamente cinco meses. Y el zinc, por otra parte, se puede reciclar, por lo que este tándem podría permitir a los fabricantes de baterías sortear varias de las desventajas que conlleva el electrolito con sales de litio. Todo esto suena muy bien, de eso no cabe la menor duda, pero este descubrimiento también nos invita a hacernos algunas preguntas.
La quitina es el segundo polisacárido más abundante en la biosfera (solo lo supera la celulosa), pero todavía no está claro si es posible obtenerlo en la cantidad necesaria para responder a la demanda global que se desencadenaría si pasa a formar parte de las baterías. Y tampoco si es posible afrontar su obtención de una forma respetuosa con el medioambiente. Además, no debemos pasar por alto que este descubrimiento aún tiene que demostrar su viabilidad al pasar del laboratorio a la producción en masa que requiere la economía de escala. No obstante, estos interrogantes razonables no enmascaran un hallazgo que a medio plazo podría tener un impacto profundo y beneficioso en nuestras vidas.
Las baterías de sodio
El sodio es mucho más sostenible que el litio. Abunda, y, además, es más barato y su extracción requiere menos agua
CATL (Contemporary Amperex Technology) presentó su primera batería de iones de sodio lista para su despliegue comercial a principios de agosto de 2021. Ya en aquel momento prometían cargas del 80% en tan solo 15 minutos, una densidad de energía competitiva y una gran estabilidad térmica que les permitía trabajar correctamente tanto en altas temperaturas como a baja temperatura. La primera generación de estas baterías entregó una densidad de energía de 160 Wh/kg, un nivel decente pero inferior al que entregan los dispositivos de litio, que se mueven en torno a los 200 a 250 Wh/kg.
Según CATL el principio de funcionamiento de las baterías de iones de sodio es similar al de los dispositivos de litio. Los iones de sodio se desplazan entre el cátodo y el ánodo, pero, a diferencia de los iones de litio, los de sodio tienen un mayor volumen y requisitos más exigentes en lo que se refiere a su estabilidad estructural y las propiedades cinéticas de los materiales. China ha incluido esta tecnología en su plan nacional de energía, por lo que presumiblemente su refinamiento perdurará, y quizá consiga finalmente imponerse a la tecnología del litio.
Las baterías de litio-azufre
La composición de las baterías de litio-azufre es similar a las de iones de litio. Y, como nos indica su nombre, no prescinden del litio, que está presente en el ánodo, mientras que el azufre se utiliza en el cátodo. Su ventaja más evidente frente a las baterías de litio convencionales consiste en que estas últimas emplean níquel, manganeso y cobalto en el cátodo, tres elementos químicos poco abundantes y difíciles de extraer. Sin embargo, el azufre empleado en el cátodo de las baterías de litio-azufre es abundante en la corteza terrestre y su extracción es más sencilla y barata.
Solo EEUU produce 8,6 millones de toneladas de azufre al año, lo que nos permite hacernos una idea bastante precisa acerca de su abundancia
Solo EEUU produce 8,6 millones de toneladas de azufre al año, lo que nos permite hacernos una idea bastante precisa acerca de su abundancia. Además, lo mucho que se parecen las baterías de litio-azufre a las de iones de litio convencionales provoca que sean relativamente baratas de fabricar. No obstante, esta no es su única ventaja.
También tienen una mayor densidad de energía. Ya están disponibles en el mercado, pero hay una razón de peso por la que aún no han conseguido volverse populares: su capacidad de carga deja mucho que desear. De hecho, las primeras unidades tienen tan solo unos 50 ciclos de carga. Eso sí, la compañía surcoreana LG Chem y la alemana Theion planean tener baterías de litio-azufre competitivas en 2025. Ya lo veremos.
Más información | BBC
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