Baterías con mayor capacidad y con menor peso y tiempo de carga han posibilitado la llegada del vehículo eléctrico. Pero mantienen sus mayores problemas por autonomías insuficientes, tiempos de recarga elevados o costes de producción más altos que un coche convencional. Gran parte de estos problemas son originados por los acumuladores de electricidad, que aún no son capaces de ofrecer todas las prestaciones que necesitan para competir con los motores tradicionales de combustión.

Texto: Pura C Roy | Periodista

Bien porrazones climáticas o porla menor producción de petróleo, que el coche eléctrico quiere competir con el de combustión es un hecho indiscutible. El mundo se prepara para una transición energética y sus retos pondrán otra vez a la tecnología frente a nuevos desafíos. El coche eléctrico tiene que desarrollar nuevos motores, nuevas electrónicas y, por supuesto, nuevas baterías. El futuro también será eléctrico no solo para los teléfonos móviles, tablets, ordenadores portátiles, vehículos de distintas categorías como autobuses, bicicletas o patinetes, pero también para drones que sobrevolarán las ciudades. Para todos ellos el reto inmediato de las baterías no es que duren más, que también, sino que se puedan cargar mucho más rápido y con seguridad. Cada aplicación conlleva sus necesidades y en todas ellas entran en juego las baterías. Todo apunta a que la química de los acumuladores cambiará, aunque sería arriesgado decir cómo se producirá ese cambio en estos momentos.

Según las predicciones, las ventas de coches eléctricos superarán a los de gasolina y diésel en 2038, y su precio será similar al de los vehículos convencionales en tan solo ocho años. Desde los primeros automóviles eléctricos, en algo más de 10 años se ha visto una evolución de las baterías notable: desde las vetustas de plomo-ácido o níquel-hierro, hasta las actuales de iones de litio que han conseguido aumentar más de 12 vecessu autonomía. Pero esto no es suficiente y por ello muchos laboratorios y empresas han entrado en la carrera para conseguir la batería óptima y cada cierto tiempo llega una noticia de una novedad que revolucionará el mundo de la movilidad eléctrica.

Las baterías de ion-litio son las más utilizadas en la actualidad. Una de sus mayores ventajas es su ciclo de vida ya que permiten un gran número de recargas. Su tamaño y autonomía son suficientes para los desplazamientos más habituales. Esto, junto a la fiabilidad de la tecnología, ha hecho que se conviertan en la apuesta actual, y también a medio plazo, por la casi totalidad de los fabricantes de automóviles. Según un informe de la agencia Bloomberg, el coste de las baterías de ion-litio caerá significativamente: Las baterías de ion-litio están empezando a llegar a los 300 o 400 kilómetros de autonomía. No es mucho comparado con los coches de gasoil o gasolina, pero es bastante con respecto a las primeras generaciones de motores eléctricos. La tecnología ha avanzado hasta alcanzar una durabilidad de 200.000 kilómetros, pero todavía el tiempo de recarga puede ser de horas, lo que actualmente impide a los coches eléctricos tener una eficiencia tal como para imponerse a los de combustibles convencionales.

A pesar de los avances en la tecnología de ion-litio, que prometen una larga vida a los acumuladores de este tipo, se trabaja en su evolución, ya que si bien su precio baja, su capacidad para acumular mucha energía en poco peso progresa de forma lenta.

Elon Musk y sus automóviles Tesla apuestan por la continuidad de esta tecnología. También los gigantes de la industria, como las asiáticas Panasonic, LG o Samsung. Los expertos se muestran convencidos de que el sector está destinado a crecer más y para muchos la tecnología de las baterías está en su infancia, así que se producirán novedades en el futuro, tanto en la química que permita incorporar pocos metales caros como el litio o el cobalto por otros más baratos como el hierro, el aluminio, el magnesio y el manganeso, además de garantizar su seguridad, mejorar la refrigeración y que sean ligeras y compactas.

Otro talón de Aquiles a resolver en las baterías essu proceso de degradación. Se sabe que por encima de los 60 grados centígrados su envejecimiento se acelera. Para su diseño, se tiene en cuenta los parámetros actuales que sitúan su vida útil en 15 años.

Ánodo y cátodo

La tecnología de batería de litio llegó de la mano de Sony en sus cámaras de video en 1991 y a pesar de los buenos augurios descritos anteriormente, uno de los  problemas es que esta tecnología no ha evolucionado mucho en los últimos tiempos. Las baterías siguen estando compuestas por terminales, un ánodo, un cátodo y un separador empapado en un electrolito que permite pasar los iones de litio del ánodo al cátodo y viceversa, mientras evita que se produzca un cortocircuito interno en la batería. Este proceso es el que convierte la energía química en eléctrica. La química de celdas en una batería es la que mayor densidad energética ofrece, por ello actualmente todos los coches eléctricos que se comercializan recurren a baterías de iones de litio con electrolito líquido. Una solución líquida que se encuentra entre el cátodo (electrodo negativo) y el ánodo (electrodo positivo) es el que que permite la transferencia de electrones. Esto es así porque el litio es el material más liviano que existe. Podría ser el hidrógeno, pero trabajar con él a bajas temperaturas es muy complicado. Dentro de las baterías de ion-litio hay a su vez diferentes subtipos, con pequeñas diferencias químicas, al emplear diferentes elementos en el cátodo y el ánodo, o diferentes proporciones entre estos, por ejemplo las baterías de litio-hierrofosfato son las más económicas, aunque tienen también menos capacidad por unidad de volumen y masa.

Otro salto importante para aumentar las autonomías homologadas por el llamado ciclo europeo NEDC de 150 a 200 kilómetros, hasta los actuales 400 a 500 km, se ha producido gracias al empleo de nuevas celdas de batería de iones de litio con níquel y cobalto. Recuérdese que el cobalto no está exento de problemas y de contaminación sobre todo en las zonas mineras del mundo donde se extrae. El Renault ZOE con 403 km de autonomía y el Opel Ampera-e de 520 km. así como Chevrolet, Volkswagen y otros fabricantes llevan baterías con celdas de litio-níquel-manganeso-cobalto fabricadas por LG Chem. Normalmente se emplean ánodos de grafito, o grafito y silicio, y cátodos de litio, níquel, cobalto y aluminio, que Panasonic suministra a Tesla; o de litio, níquel, manganeso y cobalto de LG Chem. Estas últimas aportan además la ventaja de una mayor vida útil, casi el doble, que las batería de iones de litio “antiguas”, mientras que mantienen o mejoran ligeramente la velocidad de recarga y apenas aumentan, un 10%, el peso de la batería. Eso sí, son algo más caras.

En España hay investigaciones centradas en el magnesio (Mg), que es un metal relativamente abundante (3.000 veces más que el litio), reciclable y accesible. Las baterías con ánodos de magnesio presentan la potencialidad de una densidad de energía volumétrica muy superior a las baterías de ion-litio (por encima de 1.000 Wh/l) y constituyen una clara apuesta de futuro en el sector del almacenamiento energético para todo tipo de aplicaciones. Para Óscar Miguel, director de CIDETEC Energy Storage, “las baterías de Mg, desde hace algunos años, han estado limitadas por la ausencia de un electrolito adecuado que permita una ciclabilidad acorde con las prestaciones requeridas. Otros retos tienen que ver con la identificación de los materiales catódicos más apropiados, así como con la utilización de aleaciones de Mg con otros metales en el ánodo”. 

Por otra parte, es bien conocida la dependencia de Europa con respecto a otras regiones, en particular Asia. Por ello, el consorcio eMAGIC, coordinado por CIDETEC Energy Storage, reúne esfuerzos para investigar baterías de Magnesio. eMAGIC agrupa a diez socios de seis países (Alemania, Dinamarca, España, Francia, Israel y Reino Unido), para cubrir una completa cadena de valor que va desde la investigación fundamental hasta el análisis de viabilidad industrial, pasando por el desarrollo tecnológico, prototipado, modelado entre otros aspectos. “El objetivo último del proyecto es doble: por un lado, desarrollar la tecnología de baterías de magnesio hasta probar su viabilidad industrial; por otro, proporcionar a Europa la independencia tecnológica y el liderazgo internacional en el ámbito de una tecnología futura para las baterías”, explica Miguel.

Cuestión de química

La investigación en baterías no para, pero es difícil saber cuáles se comercializarán y cuáles no. En fase de laboratorio se encuentran las llamadas de litio-azufre y litio-aire, cuya densidad de energía multiplica por diez a las convencionales de ion-litio, lo que permite más capacidad en el mismo peso y espacio, y podrían alargar la autonomía de los coches eléctricos hasta los 1.000 kilómetros.

La batería de litio y azufre sigue empleando un electrólito líquido, y su energía específica podría superar los 350 Wh/kg. Un problema es que tienen que utilizar también grafeno, una estructura de carbono que todavía es complicada de producir a gran escala y bajo coste. Sin embargo, para algunos investigadores el azufre presenta las ventajas de que es más ligero que el hierro y el cobalto y es también más barato.

Otra importante evolución de las baterías de litio sería pasar de los iones de litio al litio metal, protegido contra la corrosión, que prometen triplicar la capacidad de las baterías de litio básicas. Una propuesta a tener en cuenta tal vez sea la Licerion de Sion Power, con baterías de hasta 700 Wh/kg de densidad energética. Sion Power lleva varios años colaborando con BASF en la investigación y, recientemente, LG Chem ha adquirido los derechos para la fabricación y comercialización de celdas y baterías a nivel industrial. Este diseño combina un ánodo de litio metálico (licerion-ion) y estará preparado para funcionar con cátodos basados en azufre y en iones de litio. En ambos casos montarán una membrana cerámica-polimérica como separador. Esta membrana es la base de este producto, ya que está diseñada para proteger el ánodo de la degradación y formación de cortocircuitos, típicas de este tipo de batería de gran densidad energética.

Nueva generación

Otra línea de investigación es la de las baterías de celdas de metal-aire. Aquí el metal puede ser diferente, litio, sodio o aluminio. Prometen la mayor energía específica de  todas, por encima de 1.600 Wh/kg. Investigadas por BASF (acrónimo de Badische Anilin - und Soda-Fabrik, en español: Fábrica badense de bicarbonato de sodio y anilina), entre otros, esta celda electroquímica de metal-aire utiliza un ánodo fabricado de metal puro y un cátodo externo de aire ambiente, por lo general con una solución acuosa de electrolito. Son baterías muy eficientes, pero presentan el problema de que admiten pocos ciclos de carga; aún así, los expertos consideran que serían ideales para flotas de coches eléctricos de alquiler, donde se pudiera sustituir una batería gastada por otra nueva en lugar de tener que recargarla.

Y es que la investigación se centra también en alargar el ciclo de carga de este tipo de dispositivos para ampliar su vida útil. Es el caso de la empresa española Albufera Cells, que asegura haber logrado la durabilidad gracias a la nanotecnología. La batería de aluminio-azufre de esta compañía se desarrolla mediante un sistema con electrolito gelificado de altas prestaciones que permite que el diseño de las pilas pueda realizarse en materiales flexibles y totalmente adaptables a diversos equipos. Asimismo, su diseño, flexible, presenta, según la empresa,“grandes ventajas para varias aplicaciones muy demandadas dentro de los sectores aeroespacial, de equipos electrónicos portátiles y de automoción”.

De estado sólido

Cambiar el electrólito líquido por uno sólido es otra de las apuestas de los equipos de investigación. En estas baterías llamadas de estado sólido la clave es que en lugar de un electrolito líquido entre el cátodo y el ánodo, se emplee un electrolito sólido que evite la corrosión y los separadores. Para Óscar Miguel, director de CIDETEC Energy Storage, “esta tecnología seguro que tendrá un mayor recorrido en el futuro”. Según las previsiones, tanto de Samsung como de LG Chem, en 2020 se podrían aplicar a dispositivos electrónicos móviles, y sobre 2025 en vehículos eléctricos. Grandes fabricantes de coches como Toyota han anunciado que están dando pasos concretos para poderlas producir.

Las ventajas con esta nueva celda es que casi duplica la densidad energética de una batería de iones de litio actual, no se calienta tanto, el riesgo de incendio es casi nulo, se recarga másrápido (teóricamente 6 veces más rápido) y su vida útil es mayor. Esto facilitaría su uso en coches eléctricos de tamaño medio y precio más o menos asequible con más de 650 km de autonomía real.

Una ventaja adicional en las baterías de estado sólido es que además pueden funcionar con apenas pérdidas de capacidad de carga a temperaturas ambiente muy bajas, teniendo una alta conductividad eléctrica a temperaturas de menos 20 grados centígrados. Esto solucionaría un problema de los coches eléctricos actuales, en los cuales con temperaturas muy bajasla autonomía puede disminuir hasta casi la mitad de la autonomía teórica homologada.

Sigue la búsqueda

En la búsqueda de la batería “soñada”, también han comenzado a participar científicos de numerosas universidades. Investigadores de la Universidad de Bath, en Reino Unido, y de la Universidad de Illinois, en Chicago, han descubierto que al añadir iones metálicos, como el potasio, cargados positivamente, se consigue que el litio (del que están hechas la gran mayoría de las baterías actuales) se mueva más rápido. Esto provoca que las baterías se carguen muchísimo más deprisa, según acaban de publicar en la prestigiosa revista científica Natura Communications.

En un artículo publicado en la revista Science el pasado año, investigadores de la Universidad de Waterloo (Canadá) describieron los avances conseguidos en laboratorio para desarrollar un nuevo tipo de batería, la de litio-oxígeno. Los especialistas consideran atractivas las características de esta batería por el uso de un componente (el oxígeno) mucho más ligero y menos voluminoso que los utilizados hoy día. “Si se llegara a desarrollar de una forma efectiva, puede suponer un salto cuantitativo, porque con el mismo peso podrían tener el doble de energía que las baterías de ion-litio. Pero la comunidad científica advierte de que trabajar en este campo es como participar en una carrera de fondo.

Los expertos destacan que las actuales baterías utilizadas en los coches eléctricos, las de ion-litio, todavía no han alcanzado su máximo potencial. Y aseguran que en la próxima década será improbable encontrar en el mercado alternativas con mejores prestaciones. Por ahora, a falta de un paso definitivo a otro tipo de química, las empresas apuestan por la fabricación de celdas de iones de litio a gran escala. De este modo se consigue una importante reducción de precio que permitirá a los coches eléctricos competir en mejores condiciones contra los de combustión. Como ejemplo, tenemos la multimillonaria inversión hecha por Tesla y Panasonic en su gran fábrica del Estado de Nevada (EE.UU.)

Cabe la posibilidad de que las baterías de iones de litio sean las elegidas para electrificar el parque automovilístico mundial. ¿Por qué buscar una química revolucionaria,si igual ya se ha encontrado la adecuada?, se preguntan los especialistas. A corto plazo, parece difícil que pueda aparecer una química nueva.

La revolución del grafeno

Nuevos nanomateriales, como el grafeno, prometen cambiar el almacenamiento de energía. Una línea novedosa en la que trabaja el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) es en la creación de un nanofluído electroactivo. Al ser un líquido, permitiría recargar baterías desde un surtidor, como si fuera combustible convencional. Además, este nanofluído de grafeno permite una potencia mayor en menor espacio.

El grafeno,sin embargo, ya se utiliza en la fabricación de nuevas baterías y ha permitido una mayor autonomía y menor tiempo de carga. Es el caso del electrodo de grafeno, que se está empezando ya a utilizar en baterías convencionales como ion-litio y que permiten recargas en muy poco tiempo. La empresa española Grabat ha desarrollado una batería basada en celdas de polímero de grafeno que hacen posible baterías de alta capacidad energética. Sus promotores aseguran que, aplicada a los coches eléctricos, permitirían una autonomía de 800 kilómetros. Además ocupa entre un 20% y un 30% menos espacio que una batería de litio y se podría llegar a cargar en tan solo 5 minutos.