Nota del editor: La tecnología eléctrica es el futuro de un planeta verde, y la tecnología de baterías es la base de la tecnología eléctrica y la clave para limitar su desarrollo a gran escala. La tecnología de baterías predominante actualmente son las de iones de litio, que ofrecen una buena densidad energética y alta eficiencia. Sin embargo, el litio es un elemento escaso, de alto costo y recursos limitados. Al mismo tiempo, con el creciente uso de fuentes de energía renovables, la densidad energética de las baterías de iones de litio ya no es suficiente. ¿Cómo responder a esto? Mayank Jain ha analizado algunas tecnologías de baterías que podrían utilizarse en el futuro. El artículo original se publicó en Medium con el título: El futuro de la tecnología de baterías.
La Tierra está llena de energía, y estamos haciendo todo lo posible por capturarla y aprovecharla. Si bien hemos avanzado en la transición a las energías renovables, no hemos progresado mucho en el almacenamiento de energía.
Actualmente, la tecnología de baterías más avanzada es la de iones de litio. Esta batería parece ofrecer la mejor densidad energética, una alta eficiencia (alrededor del 99%) y una larga vida útil.
¿Cuál es el problema? A medida que la energía renovable que capturamos sigue creciendo, la densidad energética de las baterías de iones de litio ya no es suficiente.
Dado que podemos seguir produciendo baterías en lotes, esto no parece ser un gran problema, pero el inconveniente es que el litio es un metal relativamente escaso, por lo que su coste no es bajo. Si bien los costes de producción de baterías están disminuyendo, la necesidad de almacenamiento de energía también está aumentando rápidamente.
Hemos llegado a un punto en el que, una vez fabricada la batería de iones de litio, tendrá un enorme impacto en la industria energética.
La mayor densidad energética de los combustibles fósiles es un hecho, y este es un factor determinante que dificulta la transición hacia una dependencia total de las energías renovables. Necesitamos baterías que emitan más energía que nuestro peso.
Cómo funcionan las baterías de iones de litio
El mecanismo de funcionamiento de las baterías de litio es similar al de las pilas químicas AA o AAA convencionales. Cuentan con un ánodo y un cátodo, y un electrolito entre ellos. A diferencia de las baterías comunes, la reacción de descarga en una batería de iones de litio es reversible, por lo que se puede recargar repetidamente.
El cátodo (terminal positivo) está hecho de fosfato de hierro y litio, el ánodo (terminal negativo) de grafito, y el grafito está hecho de carbono. La electricidad es simplemente el flujo de electrones. Estas baterías generan electricidad mediante el movimiento de iones de litio entre el ánodo y el cátodo.
Cuando se cargan, los iones se mueven hacia el ánodo, y cuando se descargan, los iones se desplazan hacia el cátodo.
Este movimiento de iones provoca el movimiento de electrones en el circuito, por lo que el movimiento de iones de litio y el movimiento de electrones están relacionados.
batería de ánodo de silicio
Muchas grandes compañías automovilísticas, como BMW, han estado invirtiendo en el desarrollo de baterías con ánodo de silicio. Al igual que las baterías de iones de litio convencionales, estas baterías utilizan ánodos de litio, pero en lugar de ánodos a base de carbono, utilizan silicio.
Como ánodo, el silicio es mejor que el grafito porque requiere 4 átomos de carbono para contener litio, mientras que un átomo de silicio puede contener 4 iones de litio. Esto representa una mejora significativa, haciendo que el silicio sea tres veces más resistente que el grafito.
Sin embargo, el uso del litio sigue siendo un arma de doble filo. Este material aún es caro, pero también facilita la transición de las instalaciones de producción a celdas de silicio. Si las baterías son completamente diferentes, la fábrica deberá rediseñarse por completo, lo que reducirá ligeramente el atractivo del cambio.
Los ánodos de silicio se fabrican tratando arena para obtener silicio puro, pero el principal problema al que se enfrentan actualmente los investigadores es que se hinchan durante su uso. Esto puede provocar una degradación prematura de la batería. Además, la producción en masa de ánodos resulta compleja.
batería de grafeno
El grafeno es un tipo de lámina de carbono que utiliza el mismo material que un lápiz, pero requiere mucho tiempo para unir el grafito a las láminas. El grafeno es reconocido por su excelente rendimiento en diversas aplicaciones, entre ellas, las baterías.
Algunas empresas están desarrollando baterías de grafeno que se pueden cargar completamente en minutos y descargar 33 veces más rápido que las baterías de iones de litio. Esto representa una gran ventaja para los vehículos eléctricos.
Batería de espuma
Actualmente, las baterías tradicionales son bidimensionales. Se apilan como una batería de litio o se enrollan como una batería AA o de iones de litio típica.
La batería de espuma es un concepto novedoso que implica el movimiento de carga eléctrica en un espacio tridimensional.
Esta estructura tridimensional puede acelerar el tiempo de carga y aumentar la densidad energética, cualidades sumamente importantes para una batería. A diferencia de la mayoría de las demás baterías, las baterías de espuma no contienen electrolitos líquidos dañinos.
Las baterías de espuma utilizan electrolitos sólidos en lugar de electrolitos líquidos. Este electrolito no solo conduce iones de litio, sino que también aísla otros dispositivos electrónicos.
El ánodo, que almacena la carga negativa de la batería, está hecho de cobre espumado y recubierto con el material activo necesario.
A continuación, se aplica un electrolito sólido alrededor del ánodo.
Finalmente, se utiliza una denominada "pasta positiva" para rellenar los huecos dentro de la batería.
Batería de óxido de aluminio
Estas baterías poseen una de las mayores densidades energéticas del mercado. Su energía es mayor y su peso es menor que el de las baterías de iones de litio actuales. Algunos afirman que estas baterías pueden proporcionar 2000 kilómetros de autonomía a vehículos eléctricos. ¿Qué es esto? Como referencia, la autonomía máxima de un Tesla es de aproximadamente 600 kilómetros.
El problema con estas baterías es que no se pueden recargar. Producen hidróxido de aluminio y liberan energía mediante la reacción del aluminio con el oxígeno en un electrolito acuoso. El uso de las baterías consume aluminio como ánodo.
batería de sodio
Actualmente, científicos japoneses están trabajando en la fabricación de baterías que utilizan sodio en lugar de litio.
Esto sería revolucionario, ya que las baterías de sodio son teóricamente siete veces más eficientes que las de litio. Otra gran ventaja es que el sodio es el sexto elemento más abundante en las reservas terrestres, en comparación con el litio, que es un elemento escaso.
Fecha de publicación: 2 de diciembre de 2019