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Hasta el Nobel…¡y más allá! Retos de las baterías de litio para un futuro sostenible

Los padres de las baterías de iones de litio recibieron este año el Nobel de Química por su contribución a la electrónica de consumo, sentando las bases de la sociedad inalámbrica alimentando prácticamente cualquier dispositivo móvil y vehículo eléctrico. Hoy día, nuevas combinaciones y materiales alternativos alumbran una generación de baterías más ecológica, más rápida y de mayor capacidad de almacenamiento.

Bajo el desierto de sal más grande del mundo, el Salar de Uyuni, en Bolivia, se encuentra la  mayor reserva de litio mundial. Crédito: Wikimedia Commons.

DORY GASCUEÑA LÓPEZ | Tungsteno

John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino han recibido el Premio Nobel de Química 2019 por sus contribuciones al desarrollo de una tecnología de almacenamiento energético fundamental para la revolución de la electrónica móvil: las baterías de iones de litio (Li-ion). Diferentes líneas de investigación buscan la combinación perfecta de materiales para optimizar la capacidad de almacenamiento de estas baterías, una cuestión fundamental para la consolidación de los transportes eléctricos. Entre las líneas de investigación más recientes están la utilización de iones de oxígeno o la incorporación de silicio, un componente que ya utilizan algunos modelos de coches Tesla y que podría aumentar hasta un 30% la capacidad de almacenamiento de este tipo de baterías.

Alternativas químicas para multiplicar la capacidad

Otra propuesta para una química alternativa son las denominadas baterías de fluoruro, que tienen una densidad energética hasta diez veces mayor que las baterías de iones de litio actuales, según el Christopher Brooks, científico jefe del Instituto de Investigación Honda y coautor de una reciente investigación desarrollada en colaboración con Caltech y la NASA. Otras combinaciones —como el litio-azufre o el litio-aire— se exploran actualmente para crear baterías de alta capacidad.

Uno de los condicionantes de las baterías de iones de litio es que hoy por hoy necesitan una carga entera (y lenta) para obtener una reacción electroquímica completa. Según la revista Nature, un grupo de investigadores del Laboratorio Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos ha desarrollado una tecnología que reduciría el tiempo de carga de las baterías mediante la exposición del cátodo a un haz de luz concentrada, como por ejemplo la luz blanca de una lámpara de xenón.

En paralelo, científicos de la universidad de Pensilvania plantean la posibilidad de cargar un coche eléctrico en tan solo 10 minutos gracias a la modulación asimétrica de la temperatura. Esta modificación de los parámetros térmicos habituales permitiría reducir el tiempo de carga y el de exposición de la batería a altas temperaturas, por lo que también contribuye a aumentar su ciclo de vida. Explotar al máximo el ciclo de vida de las baterías es una cuestión fundamental, pues es el primer paso para la eficiencia (mucho más limpio que el procedimiento para reciclarlas). Por ello que los expertos sugieren un uso en cascada a través de una jerarquía de aplicaciones que permitan optimizar el aprovechamiento de los materiales que componen las baterías de iones de litio.

Las nuevas baterías incorporan materiales como el silicio, los iones de oxígeno o el hidrógeno para incrementar la capacidad de almacenamiento y acelerar los tiempos de carga. Crédito: Audi.

Más ecológicas y fáciles de reciclar

La cantidad de litio disponible en la naturaleza es limitada, así que el reciclaje en un escenario como el de la eclosión y consolidación de los vehículos eléctricos, se impone como necesario para los propios fabricantes. Un estudio explica además la repercusión indirecta sobre otros recursos naturales. La demanda de agua para procesar el litio es sustancial: extraer una tonelada de litio requiere 1.900 toneladas de agua que se consumen mediante evaporación. En el Salar de Atacama (Chile), un importante centro de producción de litio, el 65% del agua de la región se destina a la actividad minera, por lo que los agricultores se ven obligados a importar agua de otras regiones.

Según un análisis de la consultora Creation Inn, la cantidad total de litio reciclado podría alcanzar las 5.800 toneladas en 2025. Se espera que más del 66% de las baterías de iones de litio sean recicladas en China. Actualmente existen distintos métodos que se combinan para conseguir el reciclaje más eficiente: separación de materiales físicos, recuperación de metales hidrometalúrgicos, recuperación pirometalúrgica o recuperación de metales biológicos, entre otros. La regulación en China responsabiliza a los fabricantes de vehículos eléctricos de la recuperación de las baterías, y exige que se dispongan canales de reciclaje y puntos de servicio para recolectar, almacenar y transferir baterías viejas a empresas de reciclaje.

Un estudio publicado en la revista Nature presenta evidencias de que el proceso de reciclaje de las baterías no es menos contaminante (en cuanto a la emisión de gases de efecto invernadero) que su propia producción. Algunas de las soluciones propuestas para revertir este escenario pasarían por repensar el proceso de reciclaje haciéndolo más estandarizado y eficiente. Para ello, las tecnologías de clasificación y etiquetado de los componentes son fundamentales, así como la implementación de un diseño enfocado al reciclaje y más estandarizado por parte de los fabricantes. La robótica y la inteligencia artificial podrían tener la clave para construir un sistema de reciclaje minucioso y eficiente gracias a al software de clasificación.

Las baterías de hidrógeno se posicionan como unas de las alternativas más limpias, pero aún tienen condicionantes como el volumen que requiere su depósito, sobre todo para los vehículos eléctricos. Crédito: Ballard Power.

Un futuro con hidrógeno

Y si el litio no consigue superar estos obstáculos, la ciencia ya prepara una alternativa para consolidar la transición hacia las energías limpias: las baterías de hidrógeno. Según las previsiones del proyecto de la Comisión Europea HyWays, el hidrógeno podría reducir el consumo de petróleo en el transporte por carretera hasta un 40% en 2050. Además, tanto la electricidad como el hidrógeno se pueden producir a partir de cualquier fuente de energía primaria, incluida la biomasa, la energía eólica o la solar.

No obstante, el hidrógeno también tiene algunos retos tecnológicos pendientes. Un análisis comparativo de baterías eléctricas, pilas de combustible de hidrógeno y vehículos híbridos realizado por científicos del Imperial College de Londres concluye que para los vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno (FCEV por sus siglas en inglés) la densidad energética no es el mayor problema, ya que la energía química se convierte en energía eléctrica en la celda de combustible. Sin embargo, el principal obstáculo sería el volumen que requeriría el depósito de combustible. Ninguna opción está libre de obstáculos tecnológicos en el camino hacia la verdadera transición energética pero, sin duda las baterías son la pieza clave para ganar la  batalla a los combustibles fósiles.

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Tungsteno es un laboratorio periodístico que explora la esencia de la innovación. Ideado por Materia Publicaciones Científicas para el blog de Sacyr.

 

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