Las baterías del futuro exigen innovar con materiales más baratos y mayor autonomía

En los años 80, el japonés Akira Yoshino se planteó un problema esencial ante el auge de los dispositivos móviles, como el walkman de Sony, presentado en 1979: el consumo de baterías.

"Las pilas eran pesadas y limitadas a 1,5 voltios", le dijo a este periodista en junio de 2019, cuando se disponía a recibir un premio de la Oficina Europea de Patentes como inventor del año. Ese mismo año le concedieron el Nobel de Química, compartido con sus colegas John B. Goodenough y Stanley Whittingham.

En 1983, Yoshino, a través de su compañía Asahi Kasei, presentó su primera patente para una pila recargable "segura" de ion-litio, que cambió radicalmente las posibilidades de los dispositivos electrónicos de pequeño tamaño.

Pero ya en 2019 el problema de las baterías había crecido hasta el tamaño de los coches. Yoshino, afrontando esta cuestión, confesaba que "los dos grandes asuntos son, ahora mismo, el coste económico y las distancias que un automóvil puede recorrer con una carga. La solución no llegará simplemente de la industria de baterías, sino con la mezcla de otras tecnologías".

En eso seguimos. Es un problema actual que se proyecta alarmantemente en el futuro, no sólo para los vehículos. El almacenamiento de energía es, además, el talón de Aquiles de las renovables, que no pueden acomodar su producción a las necesidades de la demanda, sino a las disponibilidades climatológicas (sol y viento).

Química y materiales  

La primera cuestión tiene que ver con la química y los materiales utilizados para fabricar los electrodos de las baterías. En una jornada dedicada a esta materia en la Fundación Pons de Madrid, Javier Carretero González, científico titular del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), empezaba por señalar el ejemplo del cobalto. Un mineral que se suele encontrar en lugares con severas dificultades geopolíticas y sociales, como el Congo."Necesitamos desarrollar nuevos materiales y nuevas tecnologías para incorporarlos a estas celdas de acumulación de energía", afirma Carretero.

Aunque considera que "hay suficiente disponibilidad de litio" (lo hay, por ejemplo, en Extremadura), para que siga siendo un elemento determinante, "es necesario también buscar alternativas de bajo coste y que no estén geográficamente limitadas" en el futuro.

Otro factor que debe tomarse en cuenta es la seguridad, ya que en las baterías actuales "se emplean disolventes inflamables, que pueden dar lugar a cortocircuitos debido a la formación de dendritas durante las cargas rápidas y, por tanto, a una explosión".

Así pues, primer reto que plantea Carretero: desarrollar métodos de diagnosis que permitan detectar posibles fallos en las baterías actuales y futuras, por seguridad y para extender su vida media.

A la derecha, Javier Carretero González, científico titular del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

Ion-sodio para la red eléctrica

Para los acumuladores masivos de energía que requiere la red eléctrica, una solución de abaratamiento "que ya está cerca" puede ser reemplazar el litio por ion-sodio. No sólo es más abundante (y barato), también permite sustituir el cobre en los colectores de corriente actuales por aluminio.

Otra opción que se estudia para este tipo de baterías, dedicadas a la red, son las células de flujo redox, que utilizan electrolitos líquidos en dos tanques separados. Generan electricidad con una reacción de oxidación-reducción a voluntad, bombeando los electrolitos a una pila central donde interactúan. Se recargan en el proceso inverso.

En cuanto a las baterías para el transporte, Carretero apunta que "algunas de las tecnologías más relevantes que están siendo estudiadas en los laboratorios de todo el mundo son las baterías basadas en metal-aire", con la esperanza de que lleguen a alcanzar "valores de energía similares a la gasolina".

La referencia a "metal-aire" quiere decir que se estudian alternativas como el sodio, hierro, aluminio, zinc y el propio litio, para ocupar ese concepto genérico de "metal".

La reacción que se busca, para generar un flujo de corriente, es la oxidación en el ánodo del metal utilizado (con el oxígeno del aire), frente a un proceso de reducción de oxígeno en el cátodo.

En el laboratorio se consideran otras posibilidades basadas en la reacción entre el litio y el azufre, o en usar manganeso. El punto clave es conseguir "densidades energéticas", en relación con el volumen y peso, muy superiores a las que proporciona el ion-litio. Y de paso, reducir el costo por kilovatio.

Alternativa más económica

En el CSIC se investiga también la utilización de ion-potasio en vez de ion-litio, para movilidad, por ser un producto "de un orden de magnitud más barato que el ion-litio", con un voltaje de las celdas que "se aproxima" y siendo superior al que consigue el sodio. Esta solución no daría mayor autonomía al coche eléctrico, pero lo haría más económico. Carretero lo etiqueta como una "tecnología prometedora".

Otros aspectos en los que trabajan tienen que ver con los problemas que presenta una batería durante su vida útil. Inconvenientes como la disolución de los electrodos, corrosión de los colectores de corriente y formación de dendritas (excrecencias solidificadas).

Para atajar estas cuestiones se plantea desarrollar sistemas que, al menos, detecten y avisen de la aparición de este tipo de fallos y si una celda deja de funcionar.

"Al mismo tiempo, estamos desarrollando electrodos que se auto reparan cuando llegan a un determinado límite, o un cambio volumétrico", añade Carretero, explicando que en el caso concreto del CISC hay un trabajo "multidisciplinar", en el que confluyen diversos grupos.

Futuro y evolución

Todos estos planes, planteados hacia el futuro, no es fácil que lleguen de un salto. En los laboratorios también se trabaja para una evolución, con pasos intermedios, como explica Óscar Miguel, director adjunto de Cidetec Energy Storage, que se define como "un centro tecnológico privado", con sede en San Sebastián.

La evolución ha de tener en cuenta una mejora progresiva en la relación de "densidad de energía volumétrica expresada en vatios hora por litro". Es decir, la capacidad de almacenar la mayor cantidad de energía posible en poco volumen y también con poco peso.

A la derecha, Óscar Miguel, director adjunto de Cidetec Energy Storage.

En los coches eléctricos actuales las baterías pesan cientos de kilos, para ofrecer autonomías bastante limitadas. El objetivo del que se habla desde Cidetec son los 600 o 700 kilómetros de autonomía.

Cidetec trabaja en el concepto de una batería con electrolito sólido. La actual, con electrolito líquido contendor del ion-litio, es menos segura, por su inflamabilidad y volatilidad. Con la formación de dendritas se pueden 'comunicar' los elementos y causar cortocircuitos.

El proyecto de electrolito sólido "abre la puerta a poder utilizar otro tipo de ánodos de litio metálico", en vez de los compuestos de grafito, que se usan ahora.

Para ese electrolito sólido se barajan dos opciones, compuestos inorgánicos o poliméricos, con la condición de que sean conductores de iones y aislantes eléctricos. 

Soluciones a largo y corto plazo

Miguel señala que fabricar la batería con electrolitos sólidos inorgánicos, que parece la solución más eficiente, va a resultar todavía bastante complejo.

Lo plantea, por tanto, como una alternativa a largo plazo, apostando, a corto, en polímeros, que son más manejables para la tecnología actualmente disponible, aunque tengan peor conductividad.

El primer paso asequible sería una solución "hibridada", con polímeros combinados con cierta cantidad de electrolito líquido, para generar lo que llama "electrolito polimérico gelificado". También podría ser un polímero con partículas inorgánicas, que denomina "híbrido".

Otra opción de futuro "muy novedosa" con la que trabaja Cidetec es la de una batería "sin ánodo", configurada de manera que tenga un cátodo "cargado de materiales que contienen litio, un electrolito líquido y un ánodo que es realmente un colector metálico".

En la carga, "se forma un depósito de litio, procedente del electrolito y del cátodo", en el colector que hace de ánodo. En la descarga, desaparece.

"Digamos que el ánodo desaparece con la descarga y se forma con la carga", resume Miguel, tratando de poner un poco de sencillez en la explicación de los procesos químicos basados también en el litio. 

Hidróxido de litio en Cáceres

Por cierto, en cuanto al litio, ahora esencial para las baterías, advierte David Valls, director general de Extremadura New Energies, que tan importante es extraerlo de los yacimientos, como el existente en Cáceres, como su posterior tratamiento. Lo que se utiliza para las baterías "no es el litio como aparece la roca, sino un derivado químico".

Su compañía, de matriz australiana (Australia es el mayor productor, y con etiqueta de sostenibilidad), va a hacer la minería totalmente subterránea y con el menor impacto ambiental posible. "Lo único que se va a ver en superficie es el portal de entrada", dice.

Y también se dispone a producir industrialmente "hidróxido de litio de una forma integrada, junto a la extracción del segundo yacimiento más grande de este tipo dentro de la de la Unión Europea".

Valls anuncia que "para 2040 se calcula que las necesidades de litio se multipliquen por 30". Como "segundo máximo consumidor mundial", Europa puede llegar a necesitar unas 800.000 toneladas de derivados químicos de litio.

El proyecto de Extremadura New Energies prevé producir 20.000 toneladas al año, utilizando "hidrógeno verde para el proceso industrial", que obtendrá mediante un acuerdo tecnológico con Thyseen Krupp.