Recetas para una batería perfecta

Desde el móvil que llevamos en el bolsillo hasta el coche híbrido o eléctrico que conducimos -o quisiéramos conducir-, las baterías son claves para nuestra vida cotidiana. Esta semana se han anunciado importantes avances científicos, que veremos materializados en pocos años. ¿Estamos al borde de un gran salto tecnológico?

Las baterías recargables de uso más común hoy en día, las de ion de litio, aparecieron en el mercado en 1991. A medida que los aparatos se han vuelto más "exigentes" energéticamente, las baterías han tenido que evolucionar: ahora son mejores, más ligeras, más capaces y cargan más rápido.

De forma muy básica, una batería comercial de ion de litio consta de tres partes diferenciadas:

1) Un electrodo, el cátodo, generalmente compuesto de un óxido metálico. Actualmente suelen estar compuestos de un óxido mixto litio-cobalto. El cobalto es un material costoso y tóxico, por lo que se investiga actualmente la posibilidad de utilizar en su lugar el hierro, más barato y menos contaminante, para generar un compuesto mixto llamado fosfato de hierro-litio.

2) El electrolito, que consiste, en este caso, en una sal de litio. Una de sus características es que es muy sensible a la humedad: reacciona y se descompone ante una simple molécula de agua. Esa sal va mezclada con disolventes orgánicos, que también reaccionan fácilmente con el oxígeno y pueden llegar a explotar. Recuérdense algunos casos de móviles con baterías de litio que estallaban hace unos años: si había una sobrecarga el electrolito podía descomponerse, liberaba moléculas gaseosas y se producían pequeñas explosiones.

3) Un electrodo, el ánodo, de un material conductor electrónico poroso como el grafito. Reacciona reversiblemente con el litio. Durante la carga, los iones de litio viajan del cátodo al ánodo a través del electrolito. Al descargarse, el proceso se invierte: ese litio alojado en la estructura del grafito sale y vuelve a su sitio inicial.

Para un vehículo eléctrico, que requiere de un rendimiento especialmente alto para competir con los coches que funcionan con gasolina, el desarrollo más prometedor es la batería de litio-oxígeno, por su alta densidad energética (varias veces mayor que las baterías de ion de litio) y su relativa ligereza. Aún en desarrollo, estas son las baterías que moverán nuestros dispositivos eléctricos en menos de una década.

Ahora mismo la tecnología litio-oxígeno ofrece la reacción química que da mayor capacidad y mayor energía

"Ahora mismo la tecnología litio-oxígeno ofrece la reacción química que da mayor capacidad, más del doble, y mayor energía frente a otras tecnologías basadas en litio", explica Julián Morales, catedrático de Química Inorgánica de la Universidad de Córdoba. "Si esta batería, que aún tiene problemas, llegara a comercializarse, daría a un coche eléctrico prestaciones comparables a las de un motor de gasolina, es decir, se podría hacer el mismo kilometraje con la batería", afirma.

Un paso adelante

Científicos de la Universidad de Cambridge han publicado en Science esta semana un artículo sobre los resultados de una investigación que abre un prometedor camino: han simulado en el laboratorio una batería de litio-oxígeno con una alta densidad de energía y una eficiencia de más del 90%, que además han logrado recargar más de 2.000 veces hasta el momento, frente al millar de ciclos que duran las baterías de ion de litio.

En su artículo, el equipo, encabezado por la profesora Clare Grey, plantea la resolución de algunos problemas que presentan las futuras baterías de litio-oxígeno.

Por un lado, el nuevo diseño logrado sobre el papel alarga la vida de las baterías litio-oxígeno al modificar su química y basarla en hidróxido de litio (LiOH) en lugar de en peróxido de litio (Li2O2). En presencia de agua y con la adición de yoduro de litio como "mediador", la batería genera reacciones químicas menos agresivas, lo que implica que es más estable después de múltiples ciclos de carga y descarga.

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Además, han logrado incrementar la densidad de carga y, por tanto, lo que dura la batería. Para ello, han utilizado óxido grafítico reducido altamente poroso para el ánodo, lo que unido a la nueva composición acuosa del electrolito aumenta su eficiencia. Los investigadores fueron capaces de reducir la "brecha de tensión" entre la carga y descarga a 0,2 voltios, lo que equivale a un eficiencia energética de 93%. Cuanto menor es esa diferencia de tensión, más eficiente es la batería. Las versiones anteriores sólo habían conseguido reducir la "brecha" a 0,5-1,0 voltios.

Por último, se ha conseguido una alta tolerancia al agua en las células de la batería, dado que han comprobado que el yoduro de litio tiene un efecto positivo en la protección del ánodo de metal de litio frente a la corrosión que causa el agua; sin el yoduro de litio, el agua destruye la batería.

Más avances

Otras investigaciones recientes aportan nuevas mejoras para aumentar el rendimiento de las existentes baterías de ion de litio.

Científicos de la Universidad de Waterloo, Canadá, liderados por el profesor de ingeniería química Zhongwei Che anunciaron esta misma semana en un artículo en Nature Communications el desarrollo de una tecnología de bajo coste que, aseguran, aumenta tanto la vida útil como el rendimiento de las baterías de iones de litio.

Estos investigadores han probado a cambiar los ánodos de grafito, material usado tradicionalmente, por ánodos de silicio modificados capaces de cargar una mayor capacidad de iones de litio. Ya en 2011 se había experimentado con ánodos que combinaban nanopartículas de silicio entre laminas de grafeno (o grafito deslaminado), algo que podía aumentar la capacidad de carga una decena de veces y hacía que el tiempo de recarga fuese hasta 10 veces menor que el de una batería convencional.

El grafito se está convirtiendo lentamente en un cuello de botella para las baterías

"El grafito se ha utilizado para construir los electrodos negativos en las baterías de iones de litio", observa el profesor Chen, que señala que "el grafito se está convirtiendo lentamente en un cuello de botella debido a la cantidad limitada de energía que puede almacenar".

El desafío que plantean las baterías que usan silicio es que este material se contrae y se expande hasta un 300% con cada ciclo de carga, con el consecuente deterioro del material. Para superar este problema, el equipo de Chen ha desarrollado un tratamiento térmico para fabricar electrodos a base de silicio que minimiza esta expansión mientras aumenta el rendimiento y el número de recargas de las baterías de iones de litio.

Este avance, sostiene en su estudio, podría marcar el inicio de una nueva generación de baterías más pequeñas y de mayor duración que las actuales, tanto para vehículos eléctricos como para dispositivos móviles. Según su trabajo, esta nueva tecnología podría aumentar la densidad de energía acumulada entre un 40% y un 60%, es decir, cualquier móvil, tableta, reloj inteligente o coche eléctrico que incorporase este tipo de batería gozaría de más autonomía por carga.