El coche eléctrico acelera la innovación en baterías

La compañía estonia Skeleton Technologies y el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (Alemania) están tratando de desarrollar una superbatería de grafeno para coches eléctricos, capaz de recargarse en 15 segundos. Según las explicaciones, sería en realidad una batería híbrida, con ultracapacitadores de grafeno, que cargarían energía a gran velocidad, y un almacenamiento de litio, que es más eficiente para optimizar el volumen de batería preciso y la energía. Los capacitadores se cargan y descargan con muchísima rapidez. Las baterías de litio administran con más 'sosiego' el contenido energético.

Entre tanto, la realidad de los avances sitúa el epicentro de la innovación un poco más lejos. La Oficina Europea de Patentes (EPO) publica hoy un estudio conjunto con la Agencia Internacional de la Energía (IEA) sobre el estado de la cuestión (Innovation in batteries and electricity storage – A global analysis based on patent data). La realidad de los desarrollos sobre baterías, plasmada en el hecho tangible de las patentes que protegen invenciones e innovaciones. Y el primer dato es que, en efecto, es un campo de gran actividad, en el que se registra un incremento medio del 14% anual entre 2005 y 2018, siendo el coche eléctrico, ciertamente el gran impulsor de esta efervescencia. Pero…

El 'pero' es que, según el análisis de ambas entidades, "la existencia de baterías y otras necesidades de almacenamiento de energía deben multiplicarse por cincuenta para el 2040 para poner al mundo en marcha hacia los objetivos en materia de clima y energía sostenible". Hace falta todavía mucha mejora en las capacidades.

Disruptores 94

La segunda cuestión que se aprecia palmariamente es que los avances se producen mayoritariamente en Asia. Dos compañías coreanas (Samsung y LG Electronics) y otras dos japonesas (Panasonic y Toyota) acaparan la mayor cantidad de solicitudes de patentes (suman 14.396) en relación con la tecnología de baterías, mientras la primera europea en la lista, la alemana Bosch, en quinta posición tiene un millar menos que la cuarta (1.539 frente a las 2.564 de Toyota). Y a continuación, en la lista aparecen seguidas otras seis empresas japonesas, antes de ver a la primera estadounidense, General Motors, en duodécima posición. Después la lista se hace más variada, hasta el puesto número 25, incluyendo a los fabricantes de coches Ford (USA) y Daimler y Volkswagen (ambos alemanes).

Por cierto, no figura en el listado el fabricante Tesla, que es seguramente el que más ruido ha hecho en el ámbito del coche eléctrico desde que mostró su primer modelo, el Roadster, hace ya 13 años, presume de sus gigafactorías para producir baterías.

Este listado se basa en familias de patentes internacionales, cuyo significado aclara el comunicado de EPO: "Cada familia de patente internacional representa una invención única e incluye solicitudes de patentes presentadas y publicadas en al menos dos países, o bien presentadas ante una oficina regional de patentes y publicadas por esta, así como solicitudes de patentes internacionales publicadas. Las familias de patentes internacionales representan invenciones que se consideran lo suficientemente importantes por parte del inventor como para buscar protección internacional y apenas un porcentaje relativamente reducido de solicitudes cumple este requisito. Por lo tanto, este concepto se puede usar como basa sólida para la comparación de actividades de innovación internacionales, ya que reduce los sesgos que pueden surgir al comparar solicitudes de patentes entre distintas oficinas nacionales de patentes".

El informe explica que los desarrollos en torno a las baterías han sido la mayor fuente de invenciones en cuanto posibles fórmulas de almacenamiento, desde el año 2000, y concluye que la tecnología de iones de litio (Li-ion), que predomina en los vehículos eléctricos y los dispositivos electrónicos portátiles, ha impulsado la mayor parte de la innovación en baterías desde 2005. En 2018, los avances en células de iones de litio fueron responsables del 45% de la actividad de patentamiento relacionada con células de baterías, en comparación con tan solo el 7% de las células basadas en otros compuestos químicos.

La batería de ion de litio fue inventada en los años 80 con desarrollos del japonés Akira Yoshino y los estadounidenses John B. Goodenough y M. Stanley Whittingham, que el pasado año compartieron por ello el Premio Nobel de Química. Unos meses antes, en junio, Yoshino, fue también galardonado por EPO con el premio anual a los inventores de fuera del área europea. El investigador de la universidad Meijo, en Nagoya, fue quien consiguió crear la primera batería realmente funcional en la empresa Asahi Kasei, desde la que impulso una generosa política de licenciamiento de su tecnología para que pudieran ser "fabricadas por todo el mundo".

En aquella ocasión, el veterano investigador japonés, que presentó su primera solicitud de patente en 1983, explicó a este periodista que el gran problema para crear baterías eléctricas de gran rendimiento y volumen y peso reducidos "eran los materiales para el ánodo. En otros programas trabajaban con una capa metálica, pero era muy reactiva, en términos químicos, así que no cumplía nuestros requerimientos".

Yoshino combinó un ánodo de carbono, con estructura cristalizada, con un cátodo de óxido de litio-cobalto, un electrolito orgánico y una membrana de separación de polietileno sensible al calor que, en caso de sobrecalentamiento se funde, paraliza el flujo de corriente y evita que la pila se incendie. Así diseñó la primera batería de ion-litió, sin reacciones químicas, lo que permite múltiples recargas, para los dispositivos móviles de consumo que se popularizaban en todo el mundo.

La aplicación de nuevos materiales para resolver con eficiencia esas cuestiones sigue siendo la clave para mejorar las baterías de los coches, cuya exigencia de rendimiento y capacidad supone cargar cientos de kilogramos de células de almacenamiento en un vehículo. Pero no es el único camino de mejora.

El propio Yoshino, que sigue investigando precisamente para mejorar el coche eléctrico, señala que "los dos grandes asuntos son, ahora mismo, el coste económico y las distancias que un coche puede recorrer con una carga. La solución no llegará simplemente de la industria de baterías, sino con la mezcla de otras tecnologías como la inteligencia artificial, internet de las cosas... Cuando se combinen adecuadamente ofrecerán la solución natural".

El coche eléctrico se ha convertido en un vector de aceleración de las investigaciones relacionadas con el almacenamiento energético. Según refleja el estudio de IEA y EPO, en 2011, los vehículos eléctricos sustituyeron a la electrónica de consumo como principal motor de crecimiento de las invenciones relacionadas con las baterías de iones de litio. Además, las mejoras en las baterías para los coches eléctricos han producido efectos indirectos sobre las aplicaciones fijas, incluida la gestión de la red eléctrica.

La innovación en baterías se concentra en un grupo limitado de compañías de gran envergadura, en los Estados Unidos y Europa, detecta el informe, aunque las compañías pequeñas, las universidades y las entidades de investigación pública también desempeñan un papel considerable, basándose en las solicitudes de patentes.

En EEUU, las pymes representan el 34,4%, y las universidades y centros de investigación un 13,8% de las familias de patentes internacionales presentadas. En Europa, las cifras son del 15,9% y 12,7% respectivamente. Sin embargo, en Japón (3,4% y 3,5%, respectivamente) y la República de Corea (4,6% y 9,0%), la influencia es mucho menor frente al peso de las grandes corporaciones. Si bien, hay que señalar que las grandes compañías suelen tener más hábito y capacidad para rodear cada una de sus invenciones relevantes con una pléyade de patentes adicionales, para proteger las posibilidades de llegar al mismo resultado de su patente principal por otros caminos, haciendo crecer, de paso, la familia de patentes internacionales.