Baterías: la próxima generación de energía

Imagina un mundo sin energía portátil. Sin teléfonos inteligentes, sin coches eléctricos. Ese es el mundo del que M. Stanley Whittingham, John B. Goodenough y Akira Yoshino nos ayudaron a escapar. El 9 de octubre de 2019, estos tres compartieron el Premio Nobel de Química. Su trabajo en las baterías de iones de litio revolucionó la forma en que almacenamos energía. Estas baterías ahora alimentan todo, desde teléfonos hasta vehículos eléctricos. Abrieron una nueva era de la electrónica portátil.

Antes de ellos, las baterías eran un problema. Las baterías de plomo-ácido eran pesadas e ineficientes. Las celdas de níquel-cadmio tenían “efectos de memoria”. Necesitábamos desesperadamente una fuente de energía ligera, potente y recargable. Científicos de todo el mundo buscaron respuestas.

El litio, el metal más ligero, parecía un milagro. Almacena una gran cantidad de energía en relación con su tamaño. ¿El verdadero desafío? Fabricar una batería de litio estable, segura y recargable. Esa búsqueda tomó décadas y muchas mentes brillantes. Hoy en día, las baterías de iones de litio alimentan casi todo lo portátil. Pero tienen límites. Estos límites están llevando a los científicos a desarrollar tipos de baterías completamente nuevos.

El nacimiento de las baterías de iones de litio (y sus problemas)

A principios de la década de 1970, M. Stanley Whittingham trabajó en Exxon. Fabricó la primera batería de iones de litio funcional. Su diseño utilizaba disulfuro de titanio para el cátodo y litio metálico para el ánodo. Este prototipo demostró el potencial de una energía ligera y recargable. Pero tenía un gran problema de seguridad: los ánodos de litio metálico podían causar cortocircuitos e incendios.

En 1980, John B. Goodenough, entonces en Oxford, mejoró enormemente el diseño. Cambió el disulfuro de titanio por óxido de cobalto y litio. Este material proporcionó un voltaje más alto y mayor estabilidad. Su idea allanó el camino para una batería práctica y potente. También era mucho más segura que el primer intento de Whittingham.

Akira Yoshino, en Asahi Kasei en Japón, dio el paso decisivo en 1985. Utilizó coque de petróleo como ánodo para su batería de iones de litio. Esto eliminó por completo el peligroso litio metálico. Su diseño movía iones de litio entre carbono y óxido de cobalto. ¿El resultado? Una batería estable y recargable lista para el mercado. Sony vendió las primeras en 1991.

A principios de la década de 1970, M. Stanley Whittingham desarrolló el primer prototipo de batería de iones de litio funcional en Exxon, utilizando un cátodo de disulfuro de titanio y un ánodo de litio metálico. Este diseño pionero, aunque inestable, sentó las bases para toda la electrónica portátil moderna. (Ilustración generada por IA)

Estos avances desencadenaron la revolución de la electrónica portátil. Ordenadores portátiles, teléfonos móviles y, más tarde, coches eléctricos, todos ellos dependían de estas baterías. Pero la tecnología de iones de litio alcanzó sus límites. Las mejoras en la densidad energética se volvieron mínimas. Las velocidades de carga seguían siendo un problema. Materiales como el cobalto eran caros y difíciles de encontrar. Estos problemas impulsaron a los científicos a buscar algo nuevo.

Estado sólido: más seguras, más potencia

El principal problema de las baterías de iones de litio actuales es su electrolito líquido. Este líquido es inflamable. También se degrada, acortando la vida útil de la batería. El líquido impone límites de diseño, impidiendo que las baterías almacenen más energía. Los investigadores se dieron cuenta de que un material sólido podría solucionar todo esto.

A principios de la década de 2010, las baterías de estado sólido se hicieron una realidad. Estas baterías utilizan un electrolito sólido. Este material sólido mueve los iones de litio entre el ánodo y el cátodo. Esto significa que no requieren un separador líquido inflamable. Esto las hace mucho más seguras. También nos permite empaquetar más material activo en su interior.

Los electrolitos sólidos se presentan como cerámicas, polímeros o sulfuros. Cada uno presenta sus ventajas y desventajas. Los electrolitos cerámicos mueven bien los iones, pero pueden ser frágiles. Los electrolitos poliméricos son flexibles, pero a menudo no conducen tan bien a temperatura ambiente. Los electrolitos de sulfuro funcionan bien, pero no toleran la humedad.

Varias empresas lograron grandes avances. En 2020, la startup californiana QuantumScape informó de buenos resultados en las pruebas. Sus baterías se cargaban rápido y almacenaban mucha energía. Toyota también invirtió dinero en la tecnología de estado sólido. Querían venderlas para mediados de la década de 2020, según Nikkei Asia. Estos avances prometen vehículos eléctricos más seguros, de carga más rápida y con mayor autonomía. Pero fabricarlos a granel sigue siendo difícil.

Más allá del litio: otros tipos de baterías

La creciente demanda de baterías de iones de litio genera preocupación por su suministro. El litio, el cobalto y el níquel no son abundantes en todas las regiones. Su extracción también daña el medio ambiente. Así, los investigadores comenzaron a buscar otros tipos de baterías. Querían materiales más baratos y comunes.

Las baterías de iones de sodio se convirtieron en una de las principales candidatas. El sodio es mucho más común que el litio. Está en el agua de mar y en la sal común. Los científicos conocen el potencial del sodio desde hace décadas. Pero fabricar electrodos estables era difícil. Los iones de sodio son más grandes que los iones de litio, lo que complicaba su desarrollo.

Una celda prototipo de batería de estado sólido, que representa una importante 'nueva frontera' en el almacenamiento de energía. Estas baterías reemplazan los electrolitos líquidos inflamables por un material sólido, prometiendo mayor seguridad, mayor densidad de energía y carga más rápida para futuros vehículos eléctricos y electrónica portátil. (Fuente: saphiion.com)

Los recientes avances en la ciencia de los materiales lo cambiaron todo. CATL de China, el mayor fabricante de baterías del mundo, logró grandes avances. En 2021, CATL presentó su primera batería de iones de sodio. Ofrecía una buena densidad energética y un rendimiento óptimo en climas fríos. Faradion, una empresa del Reino Unido, también fue pionera en la tecnología de iones de sodio. Su objetivo es desarrollar diseños económicos y de alto rendimiento.

Las baterías de iones de sodio almacenan menos energía que las de iones de litio actualmente. Pero son adecuadas para el almacenamiento en red o vehículos de menor autonomía. Son baratas y comunes, lo que las hace atractivas. Funcionan bien en aplicaciones donde el peso no es un factor determinante. Es probable que complementen, en lugar de reemplazar, a las baterías de iones de litio en muchas áreas.

Energía extrema: litio-azufre y litio-aire

Algunos investigadores buscan desarrollar tipos de baterías con mucha más energía. Quieren superar incluso a las futuras celdas de iones de litio de estado sólido. Las baterías de litio-azufre (Li-S) y litio-aire (Li-aire) son dos de esas ideas. Estas podrían extender enormemente la autonomía de las baterías. Imagina alimentar vuelos de larga distancia o camiones pesados.

Las baterías de litio-azufre utilizan un ánodo de litio metálico y un cátodo de azufre. El azufre es barato y común. Teóricamente, puede almacenar cinco veces más energía por cada libra que los cátodos actuales de iones de litio. Esto hace que las baterías de Li-S sean extremadamente ligeras en relación con la cantidad de energía que almacenan. Teóricamente, pueden almacenar más de 2500 Wh/kg.

Los problemas incluyen el “efecto de lanzadera de polisulfuro”. Esto hace que la batería pierda material activo cuando se carga y descarga. Degrada rápidamente el rendimiento de la batería. Investigadores como Shirley Meng en la UC San Diego están fabricando nuevos electrolitos. También están diseñando mejores separadores para detenerlo. No las veremos en el mercado en muchos años.

Las baterías de litio-aire ofrecen la mayor energía teórica. Extraen oxígeno del aire para reaccionar con el litio, formando peróxido de litio. Esto significa que la batería no necesita incorporar un oxidante. Su densidad de energía teórica es similar a la de la gasolina. Pero enfrentan enormes obstáculos técnicos. Entre sus problemas se encuentran una vida útil limitada en ciclos, baja potencia y la degradación de su electrolito. Estas baterías son principalmente proyectos de investigación. Si resolvemos los problemas, podrían cambiarlo todo.

Fabricación y reciclaje: cerrando el ciclo

Los nuevos tipos de baterías son solo una parte de la respuesta. La forma en que fabricamos y gestionamos las baterías después de su primer ciclo de vida útil es igual de importante. La fabricación consume mucha energía y genera residuos. Las materias primas a menudo provienen de lugares fácilmente afectados por la minería. Mejorar estos pasos es clave para un futuro sostenible.

Las baterías de litio-azufre (Li-S) son una tecnología prometedora de 'energía extrema', teóricamente capaces de más de 2500 Wh/kg debido a su ligero cátodo de azufre. Los investigadores están trabajando activamente para superar desafíos como el 'efecto de lanzadera de polisulfuro' para desbloquear su potencial en aplicaciones como vuelos de larga distancia. (Fuente: interestingengineering.com)

La fabricación de electrodos en seco es una nueva idea prometedora. Este método elimina los solventes tóxicos durante la producción de electrodos. Las formas tradicionales utilizan NMP, que es costoso de limpiar y perjudicial para el medio ambiente. El recubrimiento en seco reduce el uso de energía y los residuos. Tesla investigó esto después de comprar Maxwell Technologies. CATL también utiliza el recubrimiento en seco en algunas de sus fábricas.

El reciclaje de baterías es cada vez más importante. Millones de vehículos eléctricos llegarán al final de su vida útil, y sus baterías requerirán una gestión adecuada. Empresas como Redwood Materials, fundada por el cofundador de Tesla JB Straubel, son pioneras en este campo. Crean formas eficientes de reciclar utilizando líquidos. Estos procesos recuperan materiales valiosos como litio, níquel, cobalto y cobre. Estos materiales pueden luego volver a la fabricación de nuevas baterías. Esto reduce la necesidad de nueva minería.

Más allá del reciclaje, las aplicaciones de segunda vida prolongan la vida útil de las baterías. Las baterías viejas de vehículos eléctricos pueden usarse para el almacenamiento en red. Su menor capacidad es adecuada para aplicaciones estacionarias. Así se maximiza su valor y se pospone su reciclaje. Estas ideas contribuyen a una economía más circular para las baterías. Abordan las preocupaciones ambientales a lo largo de todo su ciclo de vida.

El camino a seguir: impulsando un futuro más limpio

La carrera por una mejor tecnología de baterías se está intensificando a nivel mundial. Los investigadores siguen ampliando los límites de lo posible. Buscan una mayor densidad energética, una carga más rápida y una mayor seguridad. También se centran en métodos ecológicos y menores costos. El objetivo: satisfacer la enorme demanda global de almacenamiento de energía limpia.

Las baterías de estado sólido están casi listas para el mercado. Las de iones de sodio están entrando en mercados específicos. Las de litio-azufre y litio-aire siguen siendo proyectos arriesgados a largo plazo. Cada una tiene beneficios únicos para diferentes usos. Es poco probable que un solo tipo de batería domine el futuro. En cambio, aparecerán muchas soluciones diferentes. Esta mezcla satisfará muchas necesidades.

Gobiernos y empresas privadas están invirtiendo miles de millones. Apoyan la investigación, el desarrollo y la fabricación de más baterías. Este esfuerzo global dará forma a la próxima era del almacenamiento de energía. Cambiará todo, desde nuestros teléfonos hasta redes eléctricas enteras. La búsqueda de la batería perfecta continúa. Esta búsqueda impulsará un mundo más verde y eléctrico.

Redwood Materials, fundada por el cofundador de Tesla JB Straubel, opera una de las mayores instalaciones de reciclaje de baterías en América del Norte. Esta instalación recupera eficientemente materiales valiosos como litio, níquel y cobalto de baterías de vehículos eléctricos usadas, reduciendo significativamente el impacto ambiental de la producción de baterías. (Fuente: canarymedia.com)

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuáles son los principales límites de las baterías de iones de litio actuales? R: Las baterías de iones de litio actuales no tienen una capacidad de almacenamiento de energía infinita. También plantean preocupaciones de seguridad debido a su electrolito líquido inflamable. Además, dependen de materiales raros como el cobalto, lo que genera problemas de suministro y éticos.

P: ¿Qué ventajas ofrecen las baterías de estado sólido frente a las tradicionales de iones de litio? R: Las baterías de estado sólido sustituyen el electrolito líquido por un material sólido. Esto las hace mucho más seguras al eliminar la inflamabilidad. También les permite almacenar más energía. Así, se obtiene más potencia en un formato más pequeño y ligero.

P: ¿Por qué están ganando atención las baterías de iones de sodio? R: Las baterías de iones de sodio utilizan sodio, que es común y barato en comparación con el litio. Esto las convierte en una opción más ecológica y económica. Almacenan menos energía que las de iones de litio, pero son adecuadas para el almacenamiento en red y otras aplicaciones.

P: ¿Por qué es importante la fabricación de electrodos en seco? R: La fabricación de electrodos en seco elimina los solventes tóxicos de la producción de baterías. Esto reduce el daño ambiental y el uso de energía. Es una forma más limpia y eficiente de fabricar componentes de baterías.

Las baterías de iones de sodio, como este prototipo, están ganando terreno como una alternativa más ecológica y económica a las de iones de litio, utilizando sodio abundante y demostrando ser ideales para soluciones de almacenamiento en red a gran escala a pesar de su menor densidad de energía. (Fuente: evolving-science.com)

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