La creciente necesidad por parte de las marcas de fabricar coches eléctricos está 'arrastrando' a los fabricantes y proveedores a dos escenarios. Uno, el de la necesidad de producir baterías propias para no depender de China, tal y como está haciendo Europa, y dos, el del aprovisionamiento de los ingredientes necesarios para desarrollar las ya tradicionales baterías de iones de litio.
Este segundo escenario precisamente nos lleva al factor escasez: el litio, el cobalto o las tierras raras son caros y difíciles de encontrar. Por ello, los científicos buscan alternativas que multipliquen la vida útil y el rendimiento de las baterías: litio-azufre, calcio, dióxido de carbono, grafeno... el número de propuestas no para de crecer.
Dióxido de carbono para recargar baterías
El uso del dióxido de carbono (CO₂) para fabricar baterías no es algo nuevo, pero a finales de 2019 un grupo de investigadores de la Universidad de Illinois, en Chicago, desarrollaron un prototipo de batería de CO₂ y litio que se recarga totalmente durante 500 ciclos consecutivos, haciendo del reciclaje de energía un proceso altamente eficiente.
"La acumulación de carbono no solo bloquea las partes activas del catalizador y evita la difusión del CO₂, sino que también desencadena la descomposición de electrolitos en un estado cargado", explica Alireza Ahmadiparidari, primera autora del artículo.
Su combinación de materiales produce un único compuesto de productos de múltiples componentes en lugar de productos separados, lo que hace que el reciclaje sea más eficiente. Así, se crea una batería no solo más eficiente, sino con mayor vida útil.
Impresión de baterías de estado sólido en 3D
KeraCel, una empresa con sede en Santa Clara, California, asegura tener el Santo Grial de las baterías de estado sólido. Se trata de baterías completas impresas en 3D con una sola máquina que prometen el doble de energía que las baterías de iones de litio actuales pero a la mitad de precio y mucho más seguras.
Esta tecnología podría dotar a los coches eléctricos del doble de autonomía entre cargas y a los smartphones el doble de vida útil si se consigue producir a gran escala.
El método de fabricación de esta start-up, mediante una impresora 3D, permitiría la producción de celdas con electrolitos a base de cerámica y ánodos de metal de litio para lograr densidades de energía de dos a tres veces mayores, o con un costo de menos del 50 % en comparación con las células de iones de litio que hay actualmente en el mercado para el mismo nivel de energía.
La batería sin cobalto de IBM
Con el cobalto y el níquel en el punto de mira y envueltos en conflictos éticos y medioambientales, el laboratorio de baterías de la tecnológica IBM ha descubierto una aleación de materiales que no precisa de ingredientes conflictivos.
Según explica, los materiales para esta batería se pueden extraer del agua de mar, y en las primeras pruebas ha demostrado que podría superar las capacidades de las baterías de iones de litio tradicionales en términos de coste, tiempos de carga, densidad de energía y seguridad.
Este diseño de batería utiliza un material de cátodo libre de cobalto y níquel, así como un electrolito líquido, cuya combinación demostró una capacidad para suprimir las dendritas de metal de litio durante la carga, reduciendo así la inflamabilidad. Algo que se considera un inconveniente significativo para el uso de metal de litio como material anódico.
Una batería de litio-azufre para lograr los 1.000 km de autonomía
Un equipo de investigadores australianos afirman haber desarrollado una batería de litio-azufre que puede mantener un smartphone cargado durante cinco días seguidos o dotar a un coche eléctrico de 1.000 kilómetros de autonomía entre cargas. Y está lista para ser comercializada.
Utilizando los mismos materiales en baterías estándar de iones de litio, los investigadores reconfiguraron el diseño de cátodos de azufre para que pudieran acomodar cargas de mayor tensión sin una caída en la capacidad o el rendimiento general.
Los investigadores dijeron que están "al borde" de comercializar la innovación, que ha recibido el apoyo del Gobierno australiano. Ya han patentado la batería y de hecho las células prototipo han sido fabricadas con éxito por los socios alemanes de I + D Fraunhofer Institute y Beam Technology.
¿Calcio? ¿Cómo que calcio? Pues sí...
Un equipo de la Universidad de Córdoba nos dejó hace poco con la boca abierta al presentar el calcio como un componente capaz de desbancar al litio.
Estos científicos españoles han estudiado durante la intercalación del calcio en óxido de molibdeno y les ha permitido avanzar principalmente en la comprensión de las reacciones entre los componentes de la batería, cuando los ánodos son de calcio y los cátodos son de óxido de molibdeno e intercambian iones y electrones para generar energía eléctrica.
Aunque no se trata de algo que se pueda comercializar inmediatamente, abre todo un mundo de posibilidades. En este sentido, para que estas baterías de calcio puedan ser efectivas y, por tanto, puedan comercializarse, es necesario seguir avanzando para mejorar la composición de la disolución electrolítica.
El equipo asegura que el calcio es más abundante que el litio y más seguro, y podría hacer que las baterías tuvieran más capacidad, pero antes han de encontrar el compuesto químico más idóneo.
Extraer el litio de supervolcanes
Allá por 2017, un grupo de investigadores encontró una nueva fuente de litio para satisfacer la creciente demanda de este componente clave: depósitos de arcilla en el interior de los supervolcanes.
Estos depósitos supervolcánicos representan un importante paso hacia la diversificación de la oferta de este valioso metal plateado. Pero, ¿qué son los supervolcanes?
Aparecen como enormes agujeros en el suelo, conocidos como calderas, que se forman tras una erupción masiva ocurrida generalmente hace millones de años. El agujero resultante a menudo se llena de agua para formar un lago.
Durante decenas de miles de años, las precipitaciones y los manantiales calientes extraen litio de los depósitos volcánicos; el litio se acumula, junto con sedimentos en el lago, donde se concentra en una arcilla llamada hectorita.
Para identificar qué supervolcanes ofrecen las mejores fuentes de litio, los investigadores han de medir la concentración original de litio en el magma. De esta arcilla se podría extraer el litio.
Un aerogel de carbono-azufre
Un equipo de investigadores de la Universidad Jiangsu Normal en China ha desarrollado un aerogel de carbono-azufre activado con boro, que potencia la densidad energética de las baterías de litio-azufre.
Este nuevo material está diseñado para utilizarse en el cátodo de las baterías de litio-azufre, de forma que aumente sus capacidades, lo que se traduce en: una vida útil de hasta 500 ciclos de carga y descarga, casi un 100 % de eficiencia y una capacidad específica de 1.326 mAh/g (miliamperios por gramo).
La cuestión es si este proceso se puede reproducir a gran escala y a un costo asequible, ya que este es el principal obstáculo al que se enfrenta la industria de las baterías para vehículos eléctricos.
Baterías de estado sólido: la apuesta estrella de los fabricantes
Una de las tecnologías más asentadas en materia de electromovilidad es la de las baterías de estado sólido.
El principal reclamo es el de la seguridad: al eliminar los electrolitos líquidos volátiles e inflamables la combinación de seguridad, mayor densidad de energía y simplicidad se traduce en sistemas de batería de menor costo al eliminar muchas de las características de seguridad sobre ingeniería que son necesarias hoy en día con los sistemas de iones de litio.
Toyota, Panasonic, Nissan, Honda, Fisker... la mayoría cuentan con el apoyo de sus países para conseguir fabricar en masa las esperadas baterías de estado sólido: aportan más autonomía, tiempo de recarga menor y mayor nivel de seguridad.
Japón y Europa ya apuestan por su desarrollo. Mientras que el Gobierno nipón ha puesto en marcha un consorcio cuyo objetivo es conseguir 800 km de autonomía para 2030, Europa apunta aún más alto, hasta los 1.000 km de autonomía de aquí a 2021.
El grafeno, 200 veces más resistente que el acero
El grafeno suele describirse como el material del futuro o el "material de Dios". Compuesto por carbono puro, es 200 veces más resistente que el acero estructural, abundante -proviene del grafito-, extremadamente ligero y flexible y es un conductor térmico y eléctrico mejor que el cobre.
Aprovechando estas cualidades, la compañía Avevai ha desarrollado junto a Daimler, Foton y e-Sinergy dos furgonetas impulsadas por supercondensadores de grafeno. Aseguran que su sistema de gestión de energía de grafeno es escalable y se puede aplicar a cualquier vehículo eléctrico.
Recordemos que la densidad energética en masa del grafeno es muy alta: alrededor de 600 Wh/kg, cuando una batería de iones de litio convencional suele estar entre 250 y 340 Wh/kg. Por su parte, la vida útil que permite este material viene a ser el doble que en las baterías de iones de litio convencionales.
¿Hay fecha para que lo veamos? La compañía segura que las dos furgonetas estarán listas este año.
Si parece tan efectivo, ¿por qué no vemos el grafeno aplicado a todos los ámbitos? El principal problema que presenta es que fabricarlo en masa sin que pierda calidad es un proceso muy caro; solo en pequeñas cantidades este material presenta todo su potencial.
¡Con cáscara de almendra!
Tras las baterías de calcio, los investigadores de la Universidad de Granada han vuelto a sorprendernos: han logrado desarrollar baterías de litio-azufre para coches eléctricos con cáscaras de almendra, y aseguran que con esta materia prima se puede conseguir aumentar la autonomía en nada menos que un 60 % y realizar cargas en menos de una hora.
Se refuerza así la posibilidad de utilizar residuos de biomasa como fuentes sostenibles de materiales para el almacenamiento de energía. En este contexto, varios investigadores han tratado de usar carbón activado, obtenido mediante procesos simples a partir de recursos renovables o residuos de biomasa.
Algunos de estos materiales carbonosos se han propuesto como ánodos en baterías de iones de litio, como es el caso de los carbones obtenidos de azúcar (como ocurre con la producción del biodiésel), algodón, maní, café, patatas o bananas, obteniendo resultados electroquímicos prometedores.
El mejor competidor del litio podría estar en tu cocina
La Universidad de Standford, en California, ha creado una batería de sodio que puede ofrecer un almacenamiento mucho más rentable que el litio. Según afirman los investigadores, la batería supone una reducción de costes de un 80 % en comparación con una batería de iones de litio con la misma capacidad de almacenamiento.
Con los materiales que constituyen aproximadamente la cuarta parte del precio de una batería, el costo del litio (alrededor de 15.000 dólares por tonelada para minería y refinado) es muy grande. Es por eso que el equipo de Standford basa su batería en un material de electrodo de sodio ampliamente disponible que cuesta 150 dólares por tonelada.
Ahora hay que esperar a saber si el desarrollo se encamina a las baterías para el transporte o queda relegado al almacenamiento de energía renovable.
Lo que opinan los especialistas de las promesas de esta nueva era
Una de las principales promesas que están encima de la mesa hoy en día es la de las baterías de estado sólido. La principal pregunta es si las veremos realmente a gran escala en los próximos años. Óscar Miguel es director de la división de Energía de CIDETEC, el organismo que lidera el proyecto europeo para desarrollar baterías de magnesio.
Miguel es realista y no cree que en los próximos años las baterías de estado sólido vayan a desbancar a las tradicionales:
"Se trata de una tecnología prometedora que todas las grandes compañías de automoción tienen identificadas en sus hojas de ruta; no obstante se encuentran aún en un estadio de desarrollo relativamente prematuro, con lo que transcurrirá tiempo hasta que las veamos en el mercado con una penetración significativa", asegura.
"El problema que tiene Europa es llevar los conceptos a la industrialización, donde Asia se lleva la palma". Por otro lado, considera que los iones de litio no constituyen una tecnología estática, "si no que va evolucionando año a año, tanto en prestaciones como en coste. De modo que más que desbancar, probablemente haya que pensar en una coexistencia tecnológica, cada una explotando sus respectivas fortalezas".
Una de las opciones libres de litio en las que trabajan es la tecnología de baterías de magnesio: "Estas ofrecen una perspectiva de significativa mejora en la densidad de energía con bajo coste. No obstante hoy por hoy se enfrentan a retos importantes, como su reversibilidad o ciclabilidad, estando en un nivel relativamente básico de desarrollo", explica Miguel.
Para Rosa Palacín, investigadora en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, aún queda mucho camino por andar hasta llegar a la era de las baterías de estado sólido: "El problema que tiene Europa es llevar los conceptos a la industrialización, donde Asia se lleva la palma, muy por delante también de Estados Unidos", asegura.
Según nos explica Palacín, los prototipos de laboratorio de estado solido que existen a día de hoy todavía presentan problemas que hay que solventar. Después, han de pasar por los ensayos clínicos para pasar a gran escala, y no todos superan esta fase.
¿Y qué ocurre con las promesas de cargar una batería en el mismo tiempo que tardamos en llenar el depósito de combustible? ¿Son realistas? Esta investigadora cree que la carga muy rápida debería ser siempre un recurso a utilizar durante de una emergencia y no el 'modus operandi' normal, porque ello disminuiría la vida útil.
Respecto a la vida útil, el objetivo es que las baterías no pierdan mas de un 20 % de su capacidad en la vida útil del vehículo, esto es, unos 15 años. "De momento se esta trabajando en ello pero no se han hecho ensayos sobre el terreno en condiciones reales, sino ensayos acelerados a nivel de laboratorio", explica.
En resumen: de la necesidad de fabricar baterías hemos pasado a la necesidad de desarrollar alternativas viables a las 'tradicionales'. El futuro que presenta esta esfera es prometedor y debe abordar importantes problemas como el de los derechos humanos (con la extracción de cobalto), la amenaza a los ecosistemas (con la extracción del litio) y la especulación con materiales cada vez menos accesibles.
La electromovilidad debe encontrar su futuro lejos de litio, pero aún tardaremos en verlo.
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