Contra la tiranía de las baterías
La duración de las baterías es un factor limitante para hacer un uso intensivo de los dispositivos móviles. ¿Por qué los coches y otros gadgetsno tienen energía suficiente para seguir nuestro ritmo?
La inquietud por el estado de la batería de nuestro teléfono móvil se ha añadido a la larga lista de preocupaciones de cualquier persona en las zonas del planeta donde esta tecnología ha tenido una implantación masiva. Los enchufes públicos se han convertido en un recurso muy codiciado y no es infrecuente ver a algún viandante entrar en una cafetería con el propósito de alimentar a su smartphoneantes que a sí mismo.
La corta duración de las baterías de nuestros dispositivos móviles se ha convertido en motivo de lamento por parte de muchos usuarios que se ven obligados a realizar varias recargas en un mismo día. Y a medida que los gadgetsincorporan nuevas funcionalidades, las limitaciones de las pilas se hacen más evidentes. Cada nueva aplicación instalada en el teléfono o en la tableta exige su cuota de electricidad para funcionar. Y las baterías actuales simplemente no dan más de sí.
José Manuel Amarilla, científico del Instituto de Ciencia de Materiales del CSIC y uno de los principales investigadores españoles en el campo del almacenamiento de energía, responde a ese lamento generalizado. “Todos nos quejamos del corto tiempo de duración de las baterías en nuestros móviles, pero se debe pensar que nuestros teléfonos actuales son verdaderos ordenadores, devoradores de energía. Con las baterías iónlitio actuales tendríamos autonomías superiores a un mes en el caso de los primeros teléfonos móviles cuya función era la de realizar llamadas”.
La tecnología de las baterías ha avanzado, pero la de los propios dispositivos a los que deben alimentar lo ha hecho mucho más. Uno de los grandes desarrollos en este campo ha sido el de las baterías de ión-litio, que han copado el mercado de la electrónica de consumo. “El menor peso de los materiales empleados, la ausencia de efecto memoria y los voltajes de salida más elevados han permitido fabricar baterías más pequeñas y ligeras que han contribuido favorablemente a la miniaturización de los dispositivos electrónicos”, explica Manuel Lavela, del departamento de Química Inorgánica e Ingeniería Química de la Universidad de Córdoba.
Son tres los parámetros fundamentales que definen la calidad de una batería y que determinan la experiencia de cualquier usuario con ella: su densidad energética o autonomía (la cantidad de energía que es capaz de almacenar por kilo de peso), la velocidad de carga (el tiempo requerido para cargarla) y el número máximo de ciclos de recarga (la cantidad de veces que podrá cargarse y descargarse manteniendo sus propiedades). ¿Qué factores impiden que se consigan mejores rendimientos en estos tres parámetros?
La tecnología de las baterías ha avanzado, pero la de los propios dispositivos a los que deben alimentar lo ha hecho mucho más
Patrice Simon, científico del Centro Interuniversitario de Investigación e Ingeniería de los Materiales (CIRIMAT) del CNRS francés lo explica en corto: “Nuestro campo de juego es la tabla periódica de los elementos; los materiales usados y el número de electrones intercambiados por átomo. Por tanto, hay una energía máxima teórica que podremos alcanzar para cada sistema, basado solo en el peso de los materiales activos”.
El funcionamiento de cualquier pila o batería se basa en la consecución de una reacción química que tiene como particularidad el hecho de que los reactivos y productos intercambian partículas cargadas. En el caso particular de las baterías de ión-litio se trata de electrones a través del circuito externo, e iones litio a través del electrólito que separa ambos electrodos.
“El número de electrones e iones litio que pueden transferirse es limitado y depende de la composición y la estructura del material que actúa como electrodo. Ello se traduce en una limitación teórica de la energía que puede almacenarse y que es inherente a los materiales electródicos empleados”, explica Lavela. “Por otro lado, hay que considerar como un factor limitante la velocidad a la que los iones pueden desplazarse entre los electrodos. Al inicio de la reacción, los iones litio deben desalojar la estructura cristalina de un electrodo, atravesar el seno del electrólito e insertarse en la red de átomos del contraelectrodo. En su desplazamiento sufrirán resistencia a su difusión, que es el factor principal que limita la velocidad de recarga de la batería”, añade.
Durante años, se han conseguido avances significativos para salvar ambas limitaciones. La optimización de las propiedades químicas, estructurales y morfológicas de los materiales electródicos ha permitido a las baterías de ión-litio alcanzar rendimientos adecuados para su comercialización y para, paulatinamente, acabar copando el mercado de baterías recargable de pequeño tamaño.
“Se pueden seguir dos estrategias para mejorar el rendimiento: o se trabaja en baterías ión-litio avanzadas y se mejora el rendimiento de los materiales en función de la conductividad, la capacidad, la difusión, etc., o se piensa en otros sistemas como litio-azufre y litio-aire y se tratan de resolver los nuevos problemas que puedan surgir”, explica, Patrice Simon, que investiga en síntesis y caracterización de materiales nanoestructurados para fuentes de almacenamiento de energía electroquímica en la Universidad Paul Sabatier (Francia).
La densidad energética de las actuales baterías de ión-litio alcanza los 200 Wh/kg, y se estima que su capacidad teórica podría llegar a los 300 Wh/kg. Eso significa que todavía hay margen para avanzar en mejores prestaciones para aplicaciones en dispositivos electrónicos. Sin embargo, algunos expertos descartan que la tecnologías de ión-litio pueda extenderse a aplicaciones más allá del mercado electrónico. La más perentoria es la del vehículo eléctrico.
Tecnologías alternativas
“Creo que las mejoras reales vendrán del desarrollo de nuevas tecnologías. La más prometedora es la basada en litio-aire, con la que potencialmente se podrían alcanzar los 1.000 Wh/kg. Pero hay todavía tantas dudas en cuestiones clave a nivel científico que es difícil decir si esta tecnología saldrá algún día”, sentencia Simon. El litio-azufre es la tecnología alternativa al ión-litio más desarrollada. Teóricamentepuedesuperar los400Wh/kg, pero todavía debe superar algunos retos tecnológicos antes de su comercialización en masa. Uno de ellos es el de su seguridad.
“Más aún, se está planteando la posibilidad de sustituir el litio por otros metales como el sodio o el aluminio, que, aunque a priori penalicen el rendimiento, proporcionen dispositivos más seguros y a un menor coste”, explica Manuel Lavela, quien recuerda que no solo existen limitaciones tecnológicas al uso de litio, sino también geopolíticas por la concentración de los grandes yacimientos de este metal en zonas geográficas muy restringidas del plantea.
Lamentablemente, parece que no existen atajos a la hora de desarrollar las baterías del futuro. En contra de lo que se podría pensar, la omnipresente nanotecnología no lo es. “Usar materiales al nivel nano significa que se disminuye drásticamente la distancia que los iones deben cruzar, así como la resistencia, pero al ser diferente la termodinámica en la nanodimensión, toda la cinética de las reacciones parasitarias (descomposición del electrolito en la superficie de las partículas, por ejemplo) se ve exacerbada, lo que conduce a un envejecimiento de la batería y una disminución de su ciclo de vida», explica Simon.
No obstante, la síntesis de materiales nanoestructurados ha abierto un campo de nuevas posibilidades. Ha rescatado del olvido materiales antiguamente descartados por su falta de reactividad electroquímica cuando se preparaban en tamaños de partícula grandes, pero ahora los científicos constatan que son activos en morfologías nanométricas. El grupo de José Manuel Amarilla, por ejemplo, trabaja en varios proyectos cuyo objetivo es la obtención de materiales nanométricos para su aplicación en electrodos de baterías de ión-litio.
Mientras todas estas innovaciones transitan el tortuoso y accidentado camino que va del laboratorio hasta el mercado, todo indica que seguiremos nuestro acostumbrado peregrinar en busca de un enchufe libre en el que recargar nuestro teléfono inteligente, como modernos Sísifos con, eso sí, conexión 3G.
Más energía para el coche eléctrico
El gran reto que tienen planteado los laboratorios y la industria en el campo del almacenamiento de la energía no está tanto en la electrónica de consumo como en el esperado vehículo eléctrico. La autonomía de las baterías y la velocidad de recarga siguen siendo el principal factor limitante para que exista una salida comercial masiva de este tipo de vehículos limpios.
Para acercar el vehículo eléctrico a lo que la gente espera de un coche alimentado con combustible fósil (es decir, autonomía para recorrer hasta 700 kilómetros y repostar en no más de 2 minutos) tendrán que producirse algunas mejoras significativas en las baterías, porque para llegar al punto en el que las baterías tengan la densidad de energía necesaria para competir en rendimiento con los combustibles fósiles, estas tendrán que alcanzar los 1.000 Wh/kg. La cruda realidad es que, aunque las baterías de ión-litio duplicaran su capacidad actual, solo llegarían a los 400 Wh/kg. Como ya expuso el anterior secretario de Energía del Gobierno de Barak Obama, Steven Chu, la tecnología de baterías deberá tener de seis a siete veces mayor capacidad de almacenamiento que las baterías de hoy en día para ser competitivas frente al motor de combustión interna.
“La batería es el nudo gordiano que es necesario deshacer para la implantación masiva de los coches eléctricos”, reconoce José Manuel Amarilla, del CSIC. Por el momento, parece que la mejor candidata es la tecnología de ión-litio. Es la que utiliza el modelo S de Tesla Motors y la que incorporará el híbrido Prius de Toyota en su próxima edición, sustituyendo a las de níquel-hidruro metálico que utilizaba hasta ahora. Por su parte, Patrice Simon, del Centro Interuniversitario de Investigación e Ingeniería de los Materiales (CIRIMAT) del CNRS francés, no tiene claro que el ión-litio vaya a ser la solución que propicie la automoción eléctrica de masas. “Las baterías de ión-litio avanzadas pueden llegar como mucho a los 300 Wh/kg. Los 1.000 Wh/kg se podrán alcanzar con las baterías de litio-aire, pero antes se tendrán que superar todas las dificultades que todavía entraña esta tecnología”. Amarilla también apuesta por un futuro en el que los coches eléctricos se muevan con baterías de litio-aire, por su rendimiento potencialmente equiparable al de los coches que queman combustibles fósiles.
Manuel Lavela pone el énfasis en el aspecto económico. Los vehículos eléctricos no solo podrán competir con los actuales coches con motor de combustión interna cuando los igualen en autonomía y prestaciones, sino cuando lo hagan también en precio. “El precio de la versión eléctrica nos da una idea del sobrecoste que implica la incorporación de las baterías”, señala. Por tanto, uno de los objetivos de la investigación en nuevas baterías deberá tener como prioridad la reducción de costes.
