El vehículo eléctrico emerge como la principal alternativa a los de combustión ante el reto de la descarbonización. En 2022, en Europa se vendieron 11,31 millones de automóviles, de los cuales 2,59 millones (el 23 %) eran eléctricos puros o híbridos enchufables. Cifras que crecen año tras año de forma vertiginosa. En 2019 se vendieron 0,56 millones, en 2020 1,35 y 2,25 en 2021. Pero mantener el ritmo de crecimiento hasta conseguir la plena electrificación del mercado automovilístico, como pretende la Unión Europea, tiene un factor limitante: las prestaciones de las baterías actuales distan mucho de cumplir con las expectativas de los usuarios. Fabricantes y centros tecnológicos de todo el mundo han emprendido una intensa carrera por conseguir nuevos modelos de baterías que revolucionen su capacidad. Ya se plantea la llegada inminente de vehículos con más de mil kilómetros de autonomía y que se recarguen en menos de 15 minutos.

Texto: Juan Quinto | periodista de ciencia 

E ntre 1970 y 1985 el físico John B. Goodenough y los químicos Michael Whittingham y Akira Yoshino, desarrollaron las primeras baterías de iones de litio, un logro cuyas consecuencias eran por entonces difíciles de pronosticar. Su invento, reconocido en 2019 con el premio Nobel de Química, mejoró notablemente la portabilidad de los aparatos electrónicos que hoy usamos cotidianamente desde que, en 1991, Sony lo incorporó a sus productos. Sin las baterías de ion litio las prestaciones de móviles, tabletas, reproductores de música, portátiles y otros artilugios semejantes serían ridículas y no permitirían el uso que actualmente les damos. 

En el último cuarto de siglo, la necesidad de acometer la descarbonización de la economía, por el impacto del uso de combustibles fósiles en el cambio climático, ha incrementado exponencialmente la demanda de estos acumuladores de energía. El vehículo eléctrico se ha convertido en el emblema de esta transformación y sus ventas crecen cada año. En el primer semestre de 2023 el automóvil más vendido en Europa ha sido, por primera vez, uno eléctrico, el Tesla Y, con más de 125 000 unidades, lo que supone un incremento del 211,7 % sobre el mismo periodo de 2022. Y según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la demanda de baterías de ionlitio para automoción en todo el mundo pasó de 330 GWh en 2021 a 550 en 2022. 

Pero será complicado seguir incrementando de forma notable estas cifras si no se solucionan los principales problemas que plantea esta tecnología: la autonomía de estos vehículos, ya que ninguno de los disponibles comercialmente alcanza los 600 kilómetros reales; y el tiempo de recarga, aunque varía en función del tipo de batería, de las características del punto de recarga y de otras variables, como el tiempo atmosférico, difícilmente se realiza en menos de un par de horas, salvo que se disponga de un punto de recarga ultrarrápido y que el vehículo permita su uso. El objetivo de una completa electrificación del transporte a medio plazo parece complicado si no se resuelve este problema, acrecentado por la necesidad de crear multitud de electrolineras para el abastecimiento. 

Además, hay otros aspectos problemáticos a tener en cuenta a la hora de mejorar el rendimiento de una batería, como el número de ciclos de recarga que soporta (actualmente de media unos 2 000), la potencia, el tamaño, el peso, los materiales empleados (su abundancia, accesibilidad, distribución geográfica, facilidad de procesado), su seguridad (el litio es altamente inflamable y ligeramente explosivo), su coste y su impacto ambiental. Por ejemplo, según la AIE, el fuerte incremento de las ventas ha hecho que en 2022 el 60 % de la demanda de litio, el 30 % de la de cobalto y el 10 % de la de níquel se destinara a baterías para vehículos eléctricos, cuando cinco años antes esos porcentajes eran, respectivamente, 15, 10 y 2 % .

En todos estos aspectos se busca mejorar, pero, como dice Roberto Pacios, del centro tecnológico vasco CIC energiGUNE, especializado en este ámbito, “para cualquier aplicación que requiera el uso de una batería es conveniente cumplir de forma suficiente todos esos indicadores, pero es prácticamente imposible cumplirlos todos muy bien a la vez”. Según la aplicación de que se trate puede interesar más mejorar uno u otro aspecto, aunque el más importante es la densidad energética; es decir, la cantidad de energía capaz de acumularse en función del volumen o el peso de la batería. En los automóviles eléctricos se trata de conseguir que en poco espacio dispongamos de carga suficiente para realizar un largo recorrido. 

Las cifras mejoran de forma constante porque se van incorporando nuevos materiales. Según el Departamento de Energía de Estados Unidos, la densidad energética de las baterías usadas en automoción se ha multiplicado por ocho entre 2008 y 2020. La densidad energética máxima de las utilizadas actualmente en automóviles es de unos 250 Wh/kg, aunque se producen mejoras de forma continua. Todas los fabricantes de vehículos y muchísimos otros laboratorios de todo el mundo dedican un gran esfuerzo a la investigación en este campo y hay cientos de ideas compitiendo por conseguir la batería del futuro. 

El interior de la celda

Las baterías de ion-litio de los automóviles están hechas con cientos o miles de pequeñas células conectadas en serie o en paralelo. Las hay de diferentes formatos, pero las más habituales son cilíndricas, semejantes a las pilas AA, aunque un poco mayores. Cada una de ellas dispone, básicamente, de tres elementos esenciales: el ánodo, el cátodo y, entre medias, el electrolito, en forma de tres finas láminas enrolladas. Tiene, además, otro elemento de seguridad llamado separador. Los iones de litio viajan del ánodo al cátodo cuando generan energía y realizan el trayecto contrario al recargarse, siempre a través del electrolito. Cada elemento juega un papel diferente y las investigaciones en marcha se dirigen a mejorar cada uno de estos tres elementos. 

“Para el ánodo, el material más utilizado es el grafito. Ahora se está empezando a mezclar con silicio para aumentar la cantidad de energía que puede acumular. El siguiente paso será hacerlo de litio metal, pero tendrá que ser en combinación con electrolitos sólidos, porque no es compatible con el electrolito líquido actual”, explica Pacios. Con esos dos cambios, ánodo de litio metal y electrolito sólido, se conseguiría, según este investigador, llegar a los 1 000 kilómetros de autonomía.

El cátodo suele estar hecho de litio mezclado con óxidos metálicos, de hierro, níquel, manganeso, cobalto… “Los que mejor funcionan son los que tienen cobalto y, sobre todo, níquel. Los cátodos ricos en níquel y litio son los mejores en cuanto a la cantidad de energía que pueden almacenar -dice Pacios-. Pero tanto el cobalto como el níquel tienen problemas de suministro. El níquel es muy caro y el cobalto se extrae principalmente de minas africanas en condiciones poco éticas”. Por eso, en el CIC energiGUNE, como en muchos otros laboratorios, se trabaja en materiales alternativos, como el manganeso. 

El principal foco de atención de nuevas baterías se centra en el electrolito y hay un término que define el futuro: la batería de estado sólido, una meta que cada vez parece más cercana. Los electrolitos actuales están hechos de líquidos o geles, disolventes orgánicos, carbonatos, que pueden evaporarse y provocar un cortocircuito entre ánodo y cátodo, generando una explosión (de ahí la importancia del separador). Las de estado sólido eliminan este riesgo y además permiten una mayor acumulación de energía. Los materiales con los que se investiga para este objetivo son muy variados. “Principalmente hay tres tecnologías: por un lado, los polímeros y por otro los cerámicos, que pueden ser óxidos o sulfuros de diferentes metales”, explica Pacios. 

En CIC energiGUNE, considerado uno de los tres centros de investigación más relevantes de Europa en almacenamiento de energía, se investiga en todas estas líneas. “Tenemos departamentos que se centran en el ánodo, otros en el electrolito y otros en el cátodo. Y es vital estudiar los tres elementos de forma conjunta. Y trabajamos en todas las líneas de electrolito sólido, aunque nuestra principal fortaleza es el polimérico, donde llevamos muchos años trabajando y con la ayuda del padre del electrolito sólido, el francés Michel Armand”, dice Pacios. 

Este santo grial del sector, la batería de estado sólido, empieza a estar al alcance de la mano. La empresa francesa Blue Solutions ya fabrica alguna para autobuses, según Roberto Pacios. Numerosos prototipos se van dando a conocer y se calcula que para 2027 podría ya estar incorporándose a los vehículos, mejorando de forma crucial su densidad energética, lo que se traducirá en menor volumen y peso y mucha mayor autonomía, además de mejorar la seguridad y conseguir recargas completas en menos de 15 minutos. Fabricantes de todo el mundo están en ello y anuncian cada poco avances en ese desarrollo. Toyota asegura que dentro de cuatro años ya estará equipando sus vehículos con ellas. En España, la empresa Basquevolt, creada en 2022 y ubicada cerca de Vitoria, anunció en junio que este mismo año fabricará un prototipo de batería de litio de estado sólido, a partir de la tecnología desarrollada por CIC energiGUNE y pretende iniciar su comercialización también en 2027. 

Un millón de millas

La duración de una batería de ion-litio de automóvil es de unos ocho años. Pasado ese plazo suelen haber perdido en torno a un 30 % de su capacidad de almacenamiento. Por eso, los fabricantes suelen garantizar las baterías por ese periodo. Luego conviene cambiarlas, pero las viejas pueden utilizarse para almacenar energía fotovoltaica en el hogar. En cualquier caso, otro de los retos de las nuevas baterías es prolongar su vida útil. Y aquí también se han conseguido avances espectaculares. Jeff Dahn, investigador de la Universidad Dalhousie, en Canadá, dirige desde 2016 numerosos proyectos para Tesla y, entre otras cosas, en 2022 consiguió la llamada “batería del millón de millas”, capaz de soportar 10 000 ciclos de recarga, cinco veces más que las baterías actuales, lo que significa que podría superar el millón y medio de kilómetros recorridos sin pérdida significativa de su capacidad. 

tro de los problemas a solucionar es el de los materiales empleados. El litio tiene recursos limitados y, aunque se empiezan a descubrir y explotar nuevos yacimientos, su extracción plantea impactos medioambientales indeseables y un coste elevado. Por eso, se investigan alternativas y una de las más sólidas es la de iones de sodio. Hay diferentes empresas que están desarrollando esta idea, como Tiamat en Francia y Faradion en Reino Unido, que ya ha desarrollado un prototipo en fase de demostración. El grupo liderado por Donald Sadoway, del Massachusetts Institute of Technology, ha publicado en Nature la posibilidad de construir baterías con un electrodo de aluminio, otro de azufre y cloruro sódico como electrolito, materiales mucho más abundantes y baratos. Los modelos que han construido soportan cientos de ciclos de recarga, soportan temperaturas de hasta 200º C, se recargan con mucha rapidez y no pueden explotar ni arder. Pese a todo, la mayor parte de los expertos se muestra escéptico sobre la posibilidad de sustituir al litio a medio plazo.  

La batería del futuro no será una, sino que habrá una gran variedad en función de la propiedades que se pretendan conseguir. Por ejemplo, las baterías actuales de los aparatos electrónicos portátiles cumplen bastante bien con la demanda, aunque se benefician también de los avances de estas investigaciones para conseguir mayor duración de uso y menor tiempo de recarga. En cada caso primarán unas prestaciones u otras: ligereza, seguridad, capacidad, duración… Como dice Roberto Pacios: “No le puedes pedir al campeón del mundo de maratón que también lo sea de los 100 metros lisos”.