Cómo llegamos al próximo gran avance de las baterías
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Los aviones eléctricos podrían ser el futuro de la aviación. En teoría, serán mucho más silenciosos, baratos y limpios que los aviones actuales. Los aviones eléctricos con una autonomía de 1.000 km con una sola carga podrían utilizarse para la mitad de todos los vuelos de aviones comerciales actuales, reduciendo las emisiones de carbono de la aviación mundial en aproximadamente un 15%.
Es la misma historia con los coches eléctricos. Un coche eléctrico no es simplemente una versión más limpia de su primo contaminante. Es, fundamentalmente, un coche mejor: Su motor eléctrico hace poco ruido y ofrece una respuesta rapidísima a las decisiones del conductor. Cargar un coche eléctrico cuesta mucho menos que pagar una cantidad equivalente de gasolina. Los coches eléctricos pueden construirse con una fracción de piezas móviles, lo que hace que su mantenimiento sea más barato.
Entonces, ¿por qué los coches eléctricos no están ya en todas partes? Porque las baterías son caras, lo que hace que el coste inicial de un coche eléctrico sea mucho mayor que el de un modelo similar de gasolina. Y, a menos que se conduzca mucho, el ahorro de gasolina no siempre compensa el mayor coste inicial. En resumen, los coches eléctricos todavía no son económicos.
De forma similar, las baterías actuales no contienen suficiente energía por peso o volumen para propulsar aviones de pasajeros. Todavía necesitamos avances fundamentales en la tecnología de las baterías antes de que eso sea una realidad.
Los dispositivos portátiles alimentados por baterías han transformado nuestras vidas. Pero hay muchas más cosas que las baterías pueden alterar, si tan solo se pudieran fabricar baterías más seguras, potentes y densas en energía de forma barata. Ninguna ley de la física impide su existencia.
Y, sin embargo, a pesar de los más de dos siglos de estudio minucioso desde que se inventó la primera batería en 1799, los científicos aún no comprenden del todo muchos de los fundamentos de lo que ocurre exactamente dentro de estos dispositivos. Lo que sí sabemos es que hay, esencialmente, tres problemas que resolver para que las baterías transformen realmente nuestras vidas una vez más: la potencia, la energía y la seguridad.
No hay una batería de iones de litio de talla única
Todas las baterías tienen dos electrodos: un cátodo y un ánodo. La mayoría de los ánodos de las baterías de iones de litio están hechos de grafito, pero los cátodos están hechos de varios materiales, dependiendo del uso que se le vaya a dar a la batería. A continuación, puedes ver cómo los diferentes materiales de los cátodos cambian el rendimiento de los tipos de baterías en seis medidas.
El reto del poder
En el lenguaje común, la gente utiliza «energía» y «potencia» indistintamente, pero es importante diferenciarlas cuando se habla de baterías. La potencia es la velocidad a la que se puede liberar la energía.
Una batería lo suficientemente potente como para lanzar y mantener en el aire un avión comercial durante 1.000 km requiere que se libere mucha energía en muy poco tiempo, especialmente durante el despegue. Así que no se trata sólo de tener mucha energía almacenada, sino también de tener la capacidad de extraer esa energía muy rápidamente.
Afrontar el reto de la energía requiere que miremos dentro de la caja negra de las baterías comerciales. Me voy a poner un poco friki, pero tened paciencia. Las nuevas tecnologías de baterías a menudo se exageran porque la mayoría de la gente no se fija lo suficiente en los detalles.
La química de baterías más vanguardista que tenemos actualmente es la de iones de litio. La mayoría de los expertos coinciden en que ninguna otra química va a desbancar a la de iones de litio durante al menos otra década o más. Una batería de iones de litio tiene dos electrodos (cátodo y ánodo) con un separador (un material que conduce los iones pero no los electrones, diseñado para evitar el cortocircuito) en el medio y un electrolito (normalmente líquido) para permitir el flujo de iones de litio de ida y vuelta entre los electrodos. Cuando una batería se está cargando, los iones viajan del cátodo al ánodo; cuando la batería está alimentando algo, los iones se mueven en la dirección opuesta.
Imagina dos barras de pan de molde. Cada barra es un electrodo: el de la izquierda es el cátodo y el de la derecha es uno el ánodo. Supongamos que el cátodo está formado por rebanadas de níquel, manganeso y cobalto (NMC) -uno de los mejores de la clase- y que el ánodo está formado por grafito, que es esencialmente láminas, o rebanadas, de átomos de carbono.
En el estado descargado -es decir, después de que se le haya drenado la energía- la hogaza de NMC tiene iones de litio intercalados entre cada rebanada. Cuando la batería se está cargando, cada ión de litio es extraído de entre las rebanadas y forzado a viajar a través del electrolito líquido. El separador actúa como un punto de control que garantiza que sólo los iones de litio pasen al pan de grafito. Cuando esté completamente cargada, no quedarán iones de litio en el cátodo de la batería, sino que todos estarán perfectamente encajados entre las láminas del pan de grafito. A medida que se consume la energía de la batería, los iones de litio vuelven al cátodo, hasta que no queda ninguno en el ánodo. Es entonces cuando hay que volver a cargar la batería.
La capacidad de energía de la batería viene determinada, esencialmente, por la rapidez con la que se produce este proceso. Pero no es tan sencillo aumentar la velocidad. Extraer los iones de litio del pan catódico con demasiada rapidez puede hacer que las láminas desarrollen defectos y acaben rompiéndose. Es una de las razones por las que cuanto más tiempo usamos nuestro smartphone, portátil o coche eléctrico, peor es la duración de su batería. Cada carga y descarga hace que el pan se debilite un poco.
Varias empresas están trabajando en soluciones al problema. Una idea es sustituir los electrodos de las capas por algo estructuralmente más fuerte. Por ejemplo, la centenaria empresa suiza de baterías Leclanché está trabajando en una tecnología que utiliza fosfato de hierro y litio (LFP), que tiene una estructura de «olivino», como cátodo, y óxido de titanato de litio (LTO), que tiene una estructura de «espinela», como ánodo. Estas estructuras manejan mejor el flujo de iones de litio dentro y fuera del material.
Leclanché utiliza actualmente sus celdas de batería en carretillas de almacén autónomas, que pueden cargarse al 100% en nueve minutos. A modo de comparación, el mejor supercargador de Tesla puede cargar la batería de un coche Tesla hasta aproximadamente el 50% en 10 minutos. Leclanché también está desplegando sus baterías en el Reino Unido para la carga rápida de coches eléctricos. Estas baterías se sitúan en la estación de carga extrayendo lentamente pequeñas cantidades de energía de la red durante un largo periodo de tiempo hasta que se cargan por completo. Entonces, cuando un coche se acopla, las baterías de la estación de carga aceleran la carga de la batería del coche. Cuando el coche se va, la batería de la estación comienza a recargarse de nuevo.
Esfuerzos como el de Leclanché demuestran que es posible manipular la química de las baterías para aumentar su potencia. Sin embargo, nadie ha construido todavía una batería lo suficientemente potente como para suministrar rápidamente la energía necesaria para que un avión comercial pueda vencer la gravedad. Las empresas emergentes están intentando construir aviones más pequeños (con capacidad para 12 personas), que podrían volar con baterías de menor densidad energética, o aviones eléctricos híbridos, en los que el combustible para aviones hace el trabajo duro y las baterías se encargan de la navegación por inercia.
Pero en realidad no hay ninguna empresa que esté trabajando en este espacio cerca de la comercialización. Además, el tipo de salto tecnológico necesario para un avión comercial totalmente eléctrico probablemente llevará décadas, dice Venkat Viswanathan, experto en baterías de la Universidad Carnegie Mellon.
El reto energético
El Tesla Model 3, el modelo más asequible de la compañía, comienza en 35.000 dólares. Funciona con una batería de 50 kWh, que cuesta aproximadamente 8.750 dólares, o el 25% del precio total del coche.
Eso sigue siendo sorprendentemente asequible en comparación con no hace mucho tiempo. Según Bloomberg New Energy Finance, el coste medio mundial de las baterías de iones de litio en 2018 era de unos 175 dólares por kWh -frente a los casi 1.200 dólares por kWh de 2010.
El Departamento de Energía de Estados Unidos calcula que una vez que los costes de las baterías caigan por debajo de los 125 dólares por kWh, poseer y operar un coche eléctrico será más barato que un coche de gasolina en la mayor parte del mundo. Esto no significa que los vehículos eléctricos vayan a imponerse a los de gasolina en todos los nichos y ámbitos; por ejemplo, los camiones de largo recorrido aún no tienen una solución eléctrica. Pero es un punto de inflexión en el que la gente empezará a preferir los coches eléctricos simplemente porque tendrán más sentido económico en la mayoría de los casos.
Una forma de llegar a ese punto es aumentar la densidad energética de las baterías, es decir, meter más kWh en un paquete de baterías sin bajar su precio. Los químicos de las baterías pueden hacerlo, en teoría, aumentando la densidad energética del cátodo o del ánodo, o de ambos.
El cátodo más denso energéticamente que está en camino de estar disponible comercialmente es el NMC 811 (cada dígito del número representa la proporción de níquel, manganeso y cobalto, respectivamente, en la mezcla). Todavía no es perfecto. El mayor problema es que sólo puede soportar un número relativamente pequeño de ciclos de carga y descarga antes de dejar de funcionar. Pero los expertos predicen que la industria R&D debería resolver los problemas de la NMC 811 en los próximos cinco años. Cuando eso ocurra, las baterías que utilicen el NMC 811 tendrán una mayor densidad de energía en un 10% o más.
Sin embargo, un aumento del 10% no es mucho en el panorama general.
Y, aunque una serie de innovaciones en las últimas décadas han hecho que la densidad de energía de los cátodos sea cada vez mayor, en los ánodos es donde se encuentran las mayores oportunidades de densidad de energía.
El grafito ha sido y sigue siendo, de lejos, el material de ánodos dominante. Es barato, fiable y relativamente denso desde el punto de vista energético, sobre todo en comparación con los materiales catódicos actuales. Pero es bastante débil cuando se compara con otros materiales potenciales para ánodos, como el silicio y el litio.
El silicio, por ejemplo, es teóricamente mucho mejor para absorber iones de litio que el grafito. Por eso, varias empresas de baterías están tratando de incorporar algo de silicio al grafito en sus diseños de ánodos; el director ejecutivo de Tesla, Elon Musk, ha dicho que su empresa ya lo está haciendo en sus baterías de iones de litio.
Un paso mayor sería desarrollar un ánodo comercialmente viable hecho completamente de silicio. Pero el elemento tiene rasgos que lo hacen difícil. Cuando el grafito absorbe iones de litio, su volumen no cambia mucho. Un ánodo de silicio, sin embargo, se hincha hasta cuatro veces su volumen original en el mismo escenario.
Desgraciadamente, no se puede simplemente hacer la carcasa más grande para acomodar esa hinchazón, porque la expansión rompe lo que se llama la «interfase electrolítica sólida», o SEI, del ánodo de silicio.
Puedes pensar en la SEI como una especie de capa protectora que el ánodo crea para sí mismo, de forma similar a como el hierro forma óxido, también conocido como óxido de hierro, para protegerse de los elementos: Cuando se deja un trozo de hierro recién forjado en el exterior, éste reacciona lentamente con el oxígeno del aire para oxidarse. Debajo de la capa de óxido, el resto del hierro no sufre el mismo destino y, por tanto, conserva la integridad estructural.
Al final de la primera carga de una batería, el electrodo forma su propia capa de «óxido» -el SEI- separando la parte no erosionada del electrodo del electrolito. La SEI impide que las reacciones químicas adicionales consuman el electrodo, asegurando que los iones de litio puedan fluir con la mayor fluidez posible.
Pero con un ánodo de silicio, la SEI se rompe cada vez que la batería se utiliza para alimentar algo, y se reforma cada vez que se carga la batería. Y durante cada ciclo de carga, se consume un poco de silicio. Con el tiempo, el silicio se disipa hasta el punto de que la batería deja de funcionar.
Durante la última década, unas cuantas startups de Silicon Valley han estado trabajando para resolver este problema. Por ejemplo, el enfoque de Sila Nano consiste en encerrar átomos de silicio dentro de una carcasa de tamaño nanométrico con mucho espacio vacío en su interior. De este modo, el SEI se forma en el exterior de la carcasa y la expansión de los átomos de silicio se produce en su interior sin romper el SEI tras cada ciclo de carga y descarga. La empresa, valorada en 350 millones de dólares, afirma que su tecnología alimentará dispositivos tan pronto como en 2020.
Enovix, por su parte, aplica una técnica de fabricación especial para someter un ánodo 100% de silicio a una enorme presión física, lo que le obliga a absorber menos iones de litio y, por tanto, restringe la expansión del ánodo y evita que el SEI se rompa. La empresa cuenta con inversiones de Intel y Qualcomm, y también espera tener sus baterías en dispositivos para 2020.
Estos compromisos hacen que el ánodo de silicio no pueda alcanzar su alta densidad energética teórica. Sin embargo, ambas empresas afirman que sus ánodos rinden más que un ánodo de grafito. Actualmente, terceros están probando las baterías de ambas firmas.
El reto de la seguridad
Todos los retoques moleculares que se han hecho para empaquetar más energía en las baterías pueden ir en detrimento de la seguridad. Desde su invención, la batería de iones de litio ha dado quebraderos de cabeza por la frecuencia con la que se incendia. En los años 90, por ejemplo, la empresa canadiense Moli Energy comercializó una batería de litio-metal para su uso en teléfonos. Pero en el mundo real, sus baterías empezaron a incendiarse y Moli se vio obligada a retirarlas del mercado y, finalmente, a declararse en quiebra. (Algunos de sus activos fueron comprados por una empresa taiwanesa y todavía vende baterías de iones de litio con la marca E-One Moli Energy). Más recientemente, los smartphones Galaxy Note 7 de Samsung, fabricados con modernas baterías de iones de litio, empezaron a explotar en los bolsillos de la gente. La consiguiente retirada de productos en 2016 le costó al gigante surcoreano 5.300 millones de dólares.
Las baterías de iones de litio actuales siguen teniendo riesgos inherentes, porque casi siempre utilizan líquidos inflamables como electrolito. Es una de las peculiaridades desafortunadas de la naturaleza (para nosotros los humanos) que los líquidos capaces de transportar iones con facilidad también tienden a tener un umbral más bajo para incendiarse. Una solución es utilizar electrolitos sólidos. Pero eso implica otros compromisos. El diseño de una batería puede incluir fácilmente un electrolito líquido que esté en contacto con cada parte de los electrodos, lo que le permite transferir iones de forma eficiente. Con los sólidos es mucho más difícil. Imagina que dejas caer un par de dados en un vaso de agua. Ahora imagine que deja caer esos mismos dados en un vaso de arena. Obviamente, el agua tocará mucha más superficie de los dados que la arena.
Hasta ahora, el uso comercial de las baterías de iones de litio con electrolitos sólidos se ha limitado a aplicaciones de baja potencia, como los sensores conectados a Internet. Los esfuerzos por ampliar las baterías de estado sólido -es decir, que no contienen electrolito líquido- pueden clasificarse a grandes rasgos en dos categorías: polímeros sólidos a altas temperaturas y cerámica a temperatura ambiente.
Polímeros sólidos a altas temperaturas
Los polímeros son largas cadenas de moléculas unidas entre sí. Son muy comunes en las aplicaciones cotidianas: las bolsas de plástico de un solo uso están hechas de polímeros, por ejemplo. Cuando algunos tipos de polímeros se calientan, se comportan como líquidos, pero sin la inflamabilidad de los electrolitos líquidos utilizados en la mayoría de las baterías. En otras palabras, tienen la alta conductividad iónica de un electrolito líquido sin los riesgos.
Pero tienen limitaciones. Sólo pueden funcionar a temperaturas superiores a 105°C, lo que significa que no son opciones prácticas para, por ejemplo, los smartphones. Pero pueden utilizarse para almacenar energía de la red en baterías domésticas, por ejemplo. Al menos dos empresas -la estadounidense SEEO y la francesa Bolloré- están desarrollando baterías de estado sólido que utilizan polímeros de alta temperatura como electrolito.
Cerámicas a temperatura ambiente
En la última década, dos clases de cerámicas -LLZO (óxido de litio, lantano y circonio) y LGPS (litio, germanio y sulfuro de fósforo)- han demostrado ser casi tan buenas para conducir iones a temperatura ambiente como los líquidos.
Toyota, así como la empresa emergente de Silicon Valley QuantumScape (que obtuvo 100 millones de dólares de financiación por parte de Volkswagen el año pasado), están trabajando en la implementación de la cerámica en las baterías de iones de litio. La inclusión de grandes actores en el espacio es indicativa de que un avance podría estar más cerca de lo que muchos piensan.
«Estamos bastante cerca de ver algo real en dos o tres años», dice Viswanathan, de Carnegie Mellon.
Un acto de equilibrio
Las baterías ya son un gran negocio, y el mercado para ellas sigue creciendo. Todo ese dinero atrae a un montón de emprendedores con aún más ideas. Pero las empresas de baterías son una apuesta difícil: fracasan incluso más a menudo que las empresas de software, que son conocidas por su alto índice de fracaso. Esto se debe a que la innovación en las ciencias de los materiales es difícil.
Hasta ahora, los químicos de las baterías se han dado cuenta de que, cuando intentan mejorar una característica (por ejemplo, la densidad de energía), tienen que comprometer alguna otra (por ejemplo, la seguridad). Este tipo de equilibrio ha hecho que los avances en cada uno de los frentes sean lentos y estén plagados de problemas.
Pero con más ojos en el problema (Yet-Ming Chiang, del IT, calcula que hoy en día hay el triple de científicos especializados en baterías que hace sólo 10 años), las posibilidades de éxito aumentan. El potencial de las baterías sigue siendo enorme, pero teniendo en cuenta los retos que se avecinan, es mejor mirar cada afirmación sobre las nuevas baterías con una buena dosis de escepticismo.