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Por qué las baterías más ligeras pueden tardar 10 años en llegar al mercado
Las baterías de aluminio, de iones de sodio, de estado sólido y LFP ofrecen alternativas a las de iones de litio, pero las pruebas estrictas pueden mantener nuevos diseños fuera del mercado durante 10
Imagen: TechXplore
Un nuevo concepto de batería puede tardar 10 años en llegar al mercado, incluso cuando los resultados de laboratorio parecen prometedores. Investigadores de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) dicen que la demora refleja la dificultad de hacer que todos los componentes funcionen juntos de forma segura, barata y fiable.
Las baterías de iones de litio han alimentado teléfonos móviles, ordenadores portátiles y vehículos eléctricos desde su introducción comercial en 1991. Pero siguen siendo pesadas, pueden presentar un riesgo serio de incendio cuando se dañan y dependen de materiales como el níquel y el cobalto, cuya extracción genera preocupaciones éticas y medioambientales. El litio también es caro y tiene una huella ambiental significativa.
“Cuando todo está dicho y hecho, el desarrollo de baterías en realidad ha progresado bastante rápido. Las primeras baterías de iones de litio se introdujeron en 1991 y fueron el resultado de 20 a 25 años de investigación intensiva. Y esta investigación continúa.”
Pruebas de baterías de aluminio y grafito
Svensson y sus colegas construyen pequeñas baterías de prueba desde cero en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la NTNU. Su trabajo actual se centra en baterías que usan aluminio y grafito, que según Svensson son significativamente más baratas que las de litio.
Los investigadores fabrican baterías de celda tipo moneda de tamaño similar a las que se usan en un mando a distancia de TV. Aplican recubrimientos de electrodos a pequeña escala y luego cargan y descargan las celdas repetidamente— a veces hasta 1.000 veces— antes de abrirlas para inspeccionar los materiales internos.
La microscopía electrónica de barrido ayuda a revelar si los productos de reacción se han acumulado en la superficie del grafito. El análisis químico identifica los enlaces y componentes que se formaron durante la operación. El objetivo es determinar qué ocurre durante la carga y la descarga, y por qué la batería falla finalmente.
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Usar aluminio para el ánodo, sin embargo, solo resuelve una parte del problema. El electrolito entre el ánodo y el cátodo sigue siendo pesado y caro. Encontrar un electrolito de reemplazo que funcione con los demás materiales de la batería es extremadamente difícil, según Svensson.
Por qué es difícil optimizar la química de las baterías
Los componentes de una batería deben satisfacer varios requisitos a la vez. Un ánodo eficaz puede funcionar con un electrolito pero fallar con un cátodo compatible. El diseño final también debe ser barato, térmicamente estable, resistente al fuego, ligero, recargable muchas veces, capaz de entregar el voltaje correcto y adecuado para la fabricación a gran escala.
Los investigadores combinan ensayo y error en el laboratorio con simulaciones de dinámica molecular (DM), que modelan cómo se mueven átomos y moléculas a lo largo del tiempo. Pero los modelos solo pueden hacer predicciones limitadas. Svensson dijo que los investigadores aún no pueden diseñar una batería completa desde cero.
El resultado es un ciclo de desarrollo largo. Las baterías para vehículos enfrentan requisitos particularmente estrictos y deben someterse a años de pruebas y verificación. Terceros también deben confirmar que una batería dura lo que se afirma y que no se degrada más rápido de lo esperado.
Las baterías de iones de sodio ya están llegando a los coches
Una alternativa que está lista para uso en carretera es la batería de iones de sodio. El sodio es muy abundante y se encuentra en productos comunes como la sal de mesa y el bicarbonato de sodio. Reemplazar el litio por sodio ha progresado relativamente rápido, dijo Svensson, produciendo una química que se asemeja a la de los iones de litio pero que es algo más pesada.
Los primeros coches chinos equipados con baterías de iones de sodio ya se han producido. En SINTEF Energy, la investigadora sénior Fride Vullum-Bruer sostiene que Noruega necesita un apoyo más sólido a la investigación y a la industria en lugar de dejar el desarrollo de baterías principalmente en manos de Asia.
China, Corea del Sur y Japón invirtieron mucho cuando los vehículos eléctricos comenzaron a ganar impulso, mientras que Vullum-Bruer dice que la financiación para la investigación energética en Noruega —no solo la investigación en baterías— ha disminuido significativamente durante la última década. Al mismo tiempo, el aumento de la competencia ha diluido el financiamiento disponible.
Noruega sigue siendo fuerte en baterías marítimas. Su posición en el transporte marítimo, particularmente en ferris eléctricos, ha ayudado a atraer instalaciones de producción de empresas como Siemens Energy y Corvus Energy. Las aplicaciones marítimas a menudo pueden tolerar baterías más pesadas y menos costosas, a diferencia de los coches deportivos que necesitan una aceleración rápida de 0 a 100 km/h (0 a 62 mph).
Baterías diferentes para aplicaciones diferentes
El desarrollo de baterías se centra cada vez más en usos específicos en lugar de una única química universal. Cambiar las proporciones de los materiales del cátodo puede alterar el voltaje, la densidad de energía, la estabilidad y la seguridad. Los primeros cátodos de iones de litio usaban litio, cobalto y oxígeno (LiCoO₂); añadir níquel o manganeso produjo diferentes características de rendimiento.
Vullum-Bruer se inclina por las baterías de estado sólido para vehículos eléctricos. Estas usan electrolitos sólidos en lugar de líquidos. Varias empresas chinas han anunciado planes para producirlas en masa, aunque les llevará tiempo llegar a ser tan generalizadas como los tipos de baterías existentes.
Las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) ofrecen otra compensación. Tienen una densidad de energía ligeramente inferior a las baterías de níquel-manganeso-cobalto (NMC), lo que significa que almacenan menos energía para un peso o volumen dado. A cambio, las baterías LFP son más baratas y tienen una vida útil significativamente más larga.
Vullum-Bruer dijo que las baterías de iones de litio pueden no ser la mejor opción para el almacenamiento estacionario en centrales eléctricas o instalaciones solares, ni para vehículos pequeños y ligeros con autonomías cortas. Cuando el peso y el volumen son menos restrictivos, otras tecnologías pueden ofrecer un rendimiento más seguro para la aplicación específica.
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vía TechXplore
