Desde que llegaron al mercado en la década de los 90, las baterías recargables de iones de litio han ayudado a hacer realidad los ordenadores y smartphones que usamos en la actualidad, pero también permiten que existan los coches eléctricos tal y como les conocemos en la actualidad. Sin embargo, este tipo de baterías no están exentas de inconvenientes.
El suministro mundial de litio es limitado, y las empresas y los consumidores demandan constantemente baterías que sean más seguras, que duren más y que almacenen más energía. Mientras tanto, están surgiendo rápidamente nuevos usos para las baterías, incluidos los vehículos eléctricos y el almacenamiento en la red.
Para satisfacer estas necesidades, la carrera se concentra ahora en desarrollar la próxima generación de baterías, aunque todavía se desconoce cómo se verán y cómo mejorarán a las actuales.
En los términos más simples, una batería está formada por un cátodo, un ánodo y un electrolito. Los electrones con carga negativa fluyen a través del electrolito desde el ánodo con carga negativa hasta el cátodo con carga positiva. Este flujo de electrones es una corriente, mientras que los cátodos generalmente están hechos de óxido de litio metálico, por lo que las baterías con este tipo de cátodos se llaman baterías de iones de litio. Estos son los más populares porque acumulan mucha energía en un espacio pequeño como un teléfono móvil.
Además, cuando se trata de cargar y descargar, el litio puede proporcionar tres veces la densidad de energía de las baterías recargables convencionales, por lo que la mayoría de estas baterías están compuestas por un ánodo de grafito y un electrolito orgánico líquido. Dentro de la batería, una capa delgada y porosa de polipropileno impide que el cátodo y el ánodo se toquen entre sí. Si el separador se rompe o erosiona, los electrodos pueden entrar en contacto y la batería se calentará.
Para superar estos problemas, los investigadores están explorando alternativas de estado sólido. “Las limitaciones actuales están asociadas con el electrolito líquido”, ha explicado John B. Goodenough, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Universidad de Texas. El electrolito limita la cantidad de veces que se puede cargar y descargar la batería, dice, junto con la rapidez con que se puede recargar la batería y la cantidad de energía que puede almacenar.
La nueva generación de baterías será de iones de litio, pero utilizará diferentes electrolitos. Por ejemplo, pueden tener un electrolito de estado sólido en lugar de líquido. Los requisitos de un electrolito son altos, ya que debe conducir electricidad, soportar altos voltajes y mantener un equilibrio electroquímico y térmico durante un largo período de tiempo. Es por esto que desarrollar una alternativa de estado sólido es tan desafiante.
El año pasado, investigadores de Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology desarrollaron un electrolito de estado sólido que compite con los electrolitos líquidos habituales en términos de eficiencia. Tiene una conductividad comparable a la de un electrolito líquido a temperatura ambiente y es estable a temperaturas de hasta 150º C. En contraste, los electrolitos líquidos representan un riesgo de seguridad a temperaturas tan altas.
En 2016, los investigadores de Toyota publicaron un artículo sobre una batería de iones de litio de estado sólido que se puede cargar completamente en solo siete minutos; mientras que las baterías de azufre de litio, que se basan en una química completamente diferente, son otra batería prometedora para el futuro que teóricamente, pueden almacenar una carga grande y usar azufre, que es abundante, más barato y más duradero.
Los costos de las baterías han disminuido significativamente en los últimos años a medida que la demanda ha aumentado y han surgido más usos, como en coches eléctricos y almacenamiento en la red. Pero para hacer que los vehículos eléctricos sean asequibles y prácticos para conducir largas distancias, las baterías deben ser incluso más baratas de producir, y su ciclo de vida ha de ser mayor.
En 2014, Johnson Matthey, una compañía británica especializada en tecnologías sostenibles, adquirió una instalación de investigación de baterías en Changzhou, sur de China, para mejorar la eficiencia de la batería en automóviles. Según los responsables de esta compañía, la vida útil de las baterías que se usan en automóviles autónomos tendrá que coincidir con la del vehículo, posiblemente hasta 10 o 15 años, lo que significa que los clientes no dejarán de comprar un automóvil eléctrico debido a la vida útil de la batería.
En este momento, la mayoría de los fabricantes ofrecen garantías de que las baterías durarán alrededor de ocho años, o 100.000 km, pero uno de los mayores inconvenientes de las baterías de iones de litio es que su capacidad disminuye con el tiempo, ha explicado Lei Cheng, del Centro Conjunto para la Investigación de Almacenamiento de Energía y la División de Ciencia de Materiales en el Laboratorio Nacional de Argonne en los Estados Unidos.
Además, la batería de iones de litio sigue siendo bastante cara porque utiliza metales como el cobalto y el litio, y hacen falta métodos económicos de reciclaje. Este es otro impulsor para encontrar químicos alternativos.
