Baterías para coches eléctricos más baratas, eficientes y de vida más larga: el reto de la ciencia 'marca España'

La electrificación del sistema de transporte es fundamental para la transición eléctrica. Sin embargo, las baterías de los futuros coches eléctricos se siguen enfrentando a una serie de limitaciones, que van desde la autonomía hasta la duración, el rendimiento y la propia sostenibilidad del proceso. Tiene poco sentido evolucionar hacia una tecnología que contamine más o requiera materiales más caros y complicados de acceder que los de las energías fósiles.

En este contexto, las baterías de ion litio se convierten en el camino ideal para lograr abaratar todo el proceso y acabar con vehículos eléctricos más duraderos y eficientes. Una apuesta en la que el litio seguiría siendo el componente principal, además de uno de los más comunes y baratos del mercado.  

Ahora una investigación entre científicos de España, Emiratos Árabes Unidos e India ha desarrollado un material nuevo para los ánodos de las mismas que permite almacenar más energía, aprovecharla mejor y alargar la vida útil de la misma batería, haciéndolas, por un lado, más baratas y eficientes… y por otro, más sostenibles, ya que se basa en el hierro, y no en ningún material crítico, poco accesible y caro.

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Felipe Gándara, investigador del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (ICMM) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), explica que el estudio ha consistido en "encontrar y desarrollar nuevas combinaciones de materiales que, a través de mejorar partes de la batería, como ánodos, cátodos o electrodos, que puedan aumentar la eficiencia, la durabilidad y la capacidad de las baterías".

La Universidad de Jalifa de Emiratos Árabes Unidos (EAU) sintetizó este material metal-orgánico, mientras que el ICMM ha cumplido la función de entender el mismo a nivel básico. El reto era "desarrollar un material que tenga mejor eficiencia que el grafito comercial y que, al mismo tiempo, mantenga sus características relacionadas con la escalabilidad económica y su seguridad medioambiental", explica Gándara.

Baterías de ion litio

El material desarrollado es lo que se conoce como una red metal-orgánica o MOF por sus siglas en inglés (metal-organic framework). Los científicos del ICMM y sus colegas árabes e indios han trabajado en intentar mantener las ventajas tanto de la parte orgánica como de la inorgánica para dar con un material tan barato como eficiente.

"Por un lado, tienes unos centros metálicos y, por otro lado, una molécula orgánica", explica el investigador. "La peculiaridad de esta clase de materiales es que se unen estos dos componentes, se seleccionan en función de las aplicaciones que quieres y forman unas estructuras, unas redes extensas y que en muchos casos tienen canales y poros en su interior". Todo esto, a escala nanométrico, es decir, de la milmillonésima parte de un metro, que permite modificar las características de algunos componentes.

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Aplicado a las baterías de litio, "el material final es como el equivalente a una esponja, pero a nivel molecular o atómico", según Gándara. Algo que "permite que otros compuestos químicos, como los iones de litio, en este caso, puedan difundir en su interior e interaccionar con la red y con los átomos del material MOF, esa red metal-orgánica". Dependiendo del metal y de la molécula orgánica que utilices, el coste será mayor o menor y depende de cómo se sintetice, también el coste será mayor o menor.

Como el objetivo de la investigación es precisamente generar un material barato, se basa en uno tan abundante y fácil de manejar como el hierro. La molécula orgánica, aldehído salicílico, también es accesible, barata y de fácil adquisición comercial. Todo el proceso para unirlos, en EAU, utiliza pocos disolventes, que necesita poca temperatura de calentamiento, se sintetiza de una manera rápida. De manera que los costes asociados también a su producción no son grandes. E incluso se puede combinar con grafito.

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Sobre todo, los científicos españoles han dado un paso decisivo, poco habitual, tan pronto en cualquier investigación: comprobar la escalabilidad. Esto es: en los primeros pasos de cualquier investigación se desarrollan nuevos materiales en cantidades pequeñas y se van comprobando sus características y sus ventajas, pero para que esto llegue al mercado y tenga un impacto real en la sociedad se necesita poder replicar todo el proceso a nivel industrial. 

Pero en este caso el Fe-Tp (hierro + aldehído salicílico) ya ha sido escalado a la cantidad de kilo. "Con este primer salto ya no ha habido problema, con lo cual es bastante prometedor", explica Gándara, "para que pueda ser luego llevado a un nivel mayor y utilizado de forma comercial, que al final es el objetivo".

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El investigador defiende que además se trate de un desarrollo que, de llevarse al nivel industrial "sobre todo, no estás aumentando tu dependencia". Las baterías a día de hoy "siguen necesitando materiales que se consideran críticos por su accesibilidad o por la dependencia de países externos, fuera de la Unión Europea y demás. Eso ocurre con otros como el cobalto, por ejemplo, que sabemos que muchas de las minas que están en África tienen problemas de contaminación o respeto por los derechos humanos".

La investigación continúa en este caso "lo que llamamos a nivel fundamental, de entender bien cómo es el proceso en el que permite mejorar esta actividad de los componentes de las baterías", añade Gándara. Y, por otro lado, "buscar otros materiales parecidos que puedan, basándonos en ese conocimiento inicial que tenemos, incluso obtener una mejoría aún más notable… y baratas a corto y largo plazo".