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Cargando: el futuro de las baterías
Situación uno: lo primero que hace al entrar en la casa de un amigo, un café o cualquier otro lugar es escanear con su mirada todas las paredes en búsqueda de un enchufe. Situación dos: se encuentra varado en el medio de la ruta porque su vehículo eléctrico se quedó sin carga. La autonomía de nuestros dispositivos eléctricos y electrónicos nos importa y mucho.
A pesar de que las autonomías medias se han prolongado en los últimos años, la tecnología de carga rápida aún tiene mucho camino por recorrer. Es un sueño y una meta que las baterías sean superduraderas y recargables en cuestión de minutos.
"Si lo que buscamos es una nueva tecnología capaz de cambiar el mundo, de dar un salto significativo en capacidad, lo cierto es que aún no lo hemos conseguido. Casi todo lo que hemos mejorado en la autonomía de dispositivos electrónicos se lo debemos a una mayor eficiencia en los procesadores y las pantallas", aseguró el presidente de Sony –empresa pionera en venta de baterías de iones de litio–, Kazuo Hirai.
Las baterías son el cuello de botella del sector tecnológico y de alguna manera trancan su desarrollo. De las baterías depende todo el resto. Pues entonces, ¿cuál es la solución? ¿Cómo serán en el futuro?
Actualmente está en marcha una carrera entre comunidades científicas de todo el mundo para encontrar un sustituto capaz de almacenar más energía y, además, hacerlo de forma más segura que las actuales baterías. La variedad de proyectos sobra, pero todavía es muy temprano para coronar a alguien como ganador. Las investigaciones se encaminan en muchas direcciones y esta es, sin duda, una de las grandes fronteras tecnológicas de los próximos años.
Más que necesarias
Los combustibles fósiles representan el 88% del consumo mundial de energía, pero constituyen un recurso finito con un impacto ambiental negativo. Es por eso que hay un esfuerzo conjunto para transitar hacia el uso de métodos alternativos, capaces de generar energía de forma intermitente y en gran cantidad –como la solar y eólica–, lo que a su vez requiere contar con dispositivos que ayuden en su almacenamiento. Esto permite concluir dos cosas: el futuro será eléctrico y la energía renovable necesita baterías.
Se trata de un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante un proceso de carga. Se le llama batería o acumulador a este dispositivo que guarda energía, usando procedimientos electroquímicos, y que puede devolverla casi en su totalidad.
Aún le queda vida al litio
En la mayoría de las baterías, como las de los celulares, fluyen los iones de litio. En 1991, la empresa Sony comercializó su primera batería recargable de ion de litio. El diseño de la celda y su ingeniería de ensamblado ha mejorado y aumentado la densidad de energía en los últimos 26 años. Sin embargo, los usuarios claman por un mejor desempeño, por lo que este puede y debe mejorar.
A pesar de su mala fama –debido a las explosiones del Samsung Galaxy Note 7–, las baterías de ion de litio siguen siendo una alternativa estratégica, tanto por su bajo costo como por la seguridad de sus materiales. Sí, seguridad. Porque las fallas que presentaron los smartphones de la empresa surcoreana no se deben al litio en sí y es posible evitarlas con un par de manipulaciones en sus componentes.
En líneas generales, las baterías contienen tres elementos: cátodo, ánodo y electrolito. El último de estos motivó el cortocircuito (y posterior incendio) en los Note 7 (ver Intento fallido); es una sustancia líquida que al descomponerse libera fluoruro de hidrógeno, uno de los ácidos más corrosivos. La única solución es el reemplazo. En el ámbito internacional se está explorando el uso de electrolitos poliméricos sólidos en lugar de líquidos y Uruguay no se queda atrás en la búsqueda de variantes.
"Nuestro grupo trabaja en sustituir este líquido por uno un poco más viscoso que no contenga flúor, o sea un polímero, como puede ser una bolsa de polietileno", explicó a Cromo Ricardo Faccio, responsable de un proyecto de investigación de la Facultad de Química de la Universidad de la República. En 2008, su grupo de investigación –especializado en nanotecnología– comenzó a estudiar materiales para almacenamiento de energía. Desde entonces fue apoyado dos veces por fondos de la ANII y actualmente un tercer proyecto se encuentra en proceso de evaluación.
Esta sustitución suma varios puntos positivos. Además de terminar con el riesgo de incineración también posibilita la miniaturización. "Hoy en día el tamaño de la batería no se diferencia tanto de la del Nokia 1100 que se lanzó a principios del año 2000. Pero si se cambiara el material constituyente, se podría reducir considerablemente el tamaño", apuntó el doctor en química.
Además es un material apto para el reciclaje, un tema nada menor a la hora de pensar en el destino final de estos residuos. Cuando se considera el impacto medioambiental hay que tener en cuenta que los polímeros sólidos son mucho menos nocivos.
Como todo, también tiene sus aspectos negativos. "Quizá el mayor inconveniente es el reducido rendimiento cuando se lo compara con los electrolitos líquidos. Los polímeros, por ser más viscosos, conducen menos corriente eléctrica", subrayó Faccio. Esta es una clara limitante, que puede ser trasladada a las siguientes consecuencias cotidianas: el celular demorará más tiempo en cargarse y se descargará más rápido. "Nunca vamos a poder tener una carga neta final tan grande como la que se tiene cuando se usa el electrolito líquido", agregó.
Nunca diga nunca
Siguiendo la línea de investigaciones en el exterior, el equipo uruguayo tiene en mente trucos respecto al uso de nanomateriales que pueden mejorar la conductividad eléctrica.
"Una de nuestras ideas es utilizar polímeros reciclables como el PET, que se encuentra en las botellas de plástico. Al agregarle partículas de otro tipo de materiales, se logra mayor movilidad de las cargas. Haciendo estas mezclas se puede modificar sus propiedades, para que sea, por ejemplo, un poco más conductor", especificó Faccio. "Un poco más conductor arrancó siendo muy poco realmente, pero hoy por hoy se están logrando conductividades bastante altas, casi similares a las de los líquidos", detalló.
Los vehículos eléctricos e híbridos siguen reportando un incremento en el uso de sistemas de almacenamiento basados en litio, porque al día de hoy, por costo y diseño, son los que tienen mejor desempeño. En 2015 el 95% de los vehículos eléctricos funcionaron gracias a este tipo de baterías.
El gran desafío para los próximos años es proporcionar no solo la cantidad necesaria de puntos de carga, sino también rapidez y durabilidad. Como bien se puede imaginar, uno no va a pasar largas horas enchufado a un conector eléctrico de la estación, a no ser que sea de los pocos privilegiados que tenga semejante aparato en su garaje (que permita recargarlo durante la noche). Y tampoco quiere que se le descargue demasiado pronto, haciendo prácticamente imposibles los viajes de ruta. La cuestión es que hay que elaborar baterías que cumplan con estos requisitos.
Por eso es que el litio todavía pisa fuerte, ya que se carga más rápido que otros materiales y garantiza una autonomía que ronda los 300 kilómetros. Incluso, ya hay modelos que superan los 500 kilómetros (como el Tesla Model S). Sin embargo, sus reservas son finitas, y en algún momento pueden acabarse, sobre todo ahora que su demanda crece a pasos agigantados. Pero como las empresas y la academia están pensando a futuro, el foco ya está puesto en otro tipo de elemento: el sodio.
Nuevos candidatos
El sodio, mucho más abundante en la naturaleza y con propiedades interesantes para almacenar energía, tiene como desventaja que su capacidad y su voltaje es inferior al del litio. No obstante, con la disponibilidad y el bajo costo a su favor, tiene todo para proclamarse como sucesor. "Hay que dedicar esfuerzos para que su desempeño sea más comparable al del litio", destacó Faccio. "No es imposible, si la principal motivación es la necesidad de trabajar con materiales amigables", agregó.
Investigadores de la Universidad de Córdoba (España) han logrado potenciarlo, mediante la incorporación del manganeso, un elemento metálico que mejora el rendimiento del ion de sodio.
Entre otras combinaciones posibles está el sodio-azufre, una tecnología en un grado de madurez comercial y con diversas aplicaciones como acumulador de energía eléctrica, y el sodio-níquel-cloro, que no dista mucho del primero.
Científicos suizos, por otra parte, afirman haber encontrado una fórmula que supondrá una revolución: el hierro, el azufre, el sodio y el magnesio. ¿El resultado? Hasta ahora, la batería de pruebas del laboratorio ha resistido 40 ciclos de carga y descarga sin comprometer su rendimiento, por lo que sigue en competencia.
El grafeno también es un material sumamente útil: se lo puede incorporar a otros materiales para generar mejores propiedades (entre ellas la famosa conductividad eléctrica). Como explicó Faccio, se lo modifica para potenciar cualquiera de los tres elementos constituyentes del litio, tanto los electrolitos como los cátodos y ánodos.
Investigadores canadienses de la Universidad de Waterloo han probado cambiar los ánodos convencionales (compuestos de grafito) por unos de silicio, aumentando la capacidad de carga y reduciendo el tiempo de recarga una decena de veces. Según el estudio, este avance podría marcar el inicio de generación de baterías más duraderas y más pequeñas que las actuales.
El futuro de la industria automotriz pasa por el desarrollo de las baterías. Las principales multinacionales apuestan por electrolitos sólidos que van a permitir incrementar el voltaje. Toyota muestra su interés por las baterías de magnesio por su menor precio, mayor densidad y seguridad, mientras que Nissan enfoca sus investigaciones en baterías con mayor densidad que permitan una mayor autonomía.
Entre los sinfines de alternativas que no entraron en este artículo se encuentran el aluminio, el zinc, la arena e incluso la orina o la piel humana, mediante un electrodo que cosecha la electricidad cinética utilizando un recubrimiento de oro. Por último, el máximo de los sueños es desprenderse de los cables, sofisticando los sistemas de carga inalámbrica.
Intento fallido
El 2 de setiembre de 2016 Samsung paralizó la fabricación del flamante Galaxy Note 7 e inició una recolección global de al menos 2,5 millones de teléfonos debido a una falla que causó que varios estallaran. Según la versión oficial presentada poco después, estas deflagraciones fueron causadas por las baterías, que tenían un diseño con un separador para ánodo y cátodo más fino de lo habitual y mayor densidad de energía de la recomendable. Además, las deformaciones en las esquinas superiores facilitaron el contacto de los componentes. La unión de estos defectos y el estrés provocado por los ciclos de carga contribuyeron al degradado del separador entre ánodo y cátodo, lo que puso en contacto ambos polos hasta provocar el cortocircuito y el posterior incendio del electrolito debido al calentamiento del conjunto.
