A muchos nos costaría pasar un día sin usar una batería de iones de litio, la tecnología que alimenta nuestros dispositivos electrónicos portátiles. Y con los vehículos eléctricos (VE) y el almacenamiento de energía para la red eléctrica a la vuelta de la esquina, su futuro parece muy prometedor.
Tan prometedor que la emblemática empresa emergente californiana Tesla Motors anunció que su recién presentada batería residencial Powerwall está agotada hasta mediados de 2016 y que la fuerte demanda del mercado podría alcanzar la capacidad de su próxima «gigafábrica» de baterías, de 35 gigavatios-hora al año: la energía eléctrica que necesitan diariamente 1,2 millones de hogares estadounidenses.
Cuando Sony las lanzó, a principios de la década de 1990, muchos consideraron que las baterías de iones de litio eran un avance decisivo entre las baterías recargables: gracias a su alto voltaje de funcionamiento y su gran densidad energética, superaban a las entonces más avanzadas baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH). La adopción de la tecnología de iones de litio impulsó la revolución de la electrónica portátil: sin ella, la batería de los últimos teléfonos inteligentes Samsung Galaxy pesaría casi cuatro onzas, en lugar de 1,5 onzas, y ocuparía el doble de volumen.
Sin embargo, en los últimos años las baterías de iones de litio han recibido mala prensa. Ofrecen una duración decepcionante para los dispositivos portátiles modernos y una autonomía limitada para los automóviles eléctricos, en comparación con los vehículos de gasolina. Las baterías de iones de litio también plantean problemas de seguridad y preocupaciones, en particular el riesgo de incendio.
Esta situación plantea preguntas legítimas: ¿Qué viene ahora? ¿Habrá avances que resuelvan estos problemas?
Mejores composiciones químicas de litio
Antes de intentar responder a estas preguntas, repasemos brevemente el funcionamiento interno de una batería. Una celda consta de dos electrodos distintos, separados por una capa aislante, llamada separador, que está impregnada de un electrolito. Los dos electrodos deben tener distintos potenciales o una distinta fuerza electromotriz, y la diferencia de potencial resultante determina el voltaje de la celda. El electrodo con el potencial más alto se denomina electrodo positivo, y el de potencial más bajo, electrodo negativo.
Las baterías de próxima generación podrían mejorar la densidad energética y permitir una mayor autonomía de los dispositivos electrónicos y de los VE.
Autor y Wikipedia; imagen proporcionada por el autor
Durante la descarga, los electrones fluyen por un cable externo desde el electrodo negativo hasta el positivo, mientras que los átomos cargados, o iones, se desplazan internamente para mantener una carga eléctrica neutra. En las baterías recargables, el proceso se invierte durante la carga.
La densidad energética de las baterías de iones de litio, es decir, la cantidad de energía almacenada por unidad de peso, ha aumentado de forma constante alrededor de un 5 % cada año, de 90 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg) a 240 Wh/kg en 20 años, y se prevé que esta tendencia continúe. Esto se debe a mejoras graduales en los materiales y las arquitecturas de los electrodos y los electrolitos, así como al aumento del voltaje máximo de carga, de los 4,2 voltios habituales a 4,4 voltios en los dispositivos portátiles más recientes.
Para acelerar las mejoras en la densidad energética se necesitarían avances tanto en los materiales de los electrodos como en los electrolitos. El mayor salto esperado consistiría en introducir azufre elemental o aire como electrodo positivo y usar litio metálico como electrodo negativo.
En los laboratorios
Las baterías de litio-azufre podrían duplicar la densidad energética de las actuales baterías de iones de litio, hasta unos 400 Wh/kg. Las baterías de litio-aire podrían multiplicarla por diez, hasta aproximadamente 3.000 Wh/kg, principalmente porque usar aire como reactivo externo —es decir, oxígeno del aire en lugar de un elemento presente en un electrodo de la batería— reduciría considerablemente el peso.
Una batería de litio-aire usa oxígeno del aire para impulsar una reacción electroquímica, si es que llegara a funcionar fuera del laboratorio.
Na9234/Wikimedia, CC BY
Ambos sistemas son objeto de estudios intensivos por parte de la comunidad investigadora, pero su disponibilidad comercial sigue siendo esquiva, ya que los laboratorios tienen dificultades para desarrollar prototipos viables. Durante la descarga de los electrodos de azufre, el azufre puede disolverse en el electrolito y desconectarse del circuito electrónico. Esto reduce la cantidad de litio que podría extraerse del azufre durante la carga y perjudica la reversibilidad general del sistema.
Para que esta tecnología sea viable, es necesario alcanzar hitos cruciales: mejorar la arquitectura del electrodo positivo para retener mejor el material activo o desarrollar nuevos electrolitos en los que dicho material no sea soluble.
La batería de litio-aire también presenta dificultades para recargarse repetidamente debido a los problemas que causan las reacciones entre el electrolito y el aire. Además, en ambas tecnologías, la protección del electrodo de litio es un problema que hay que resolver.
¿La salvación está en el sodio?
En todas las baterías mencionadas, el litio es un componente esencial. Es un elemento bastante abundante en todo el mundo, pero, por desgracia, solo en concentraciones mínimas, lo que impide su extracción comercial a escala mundial. Aunque se encuentra en condiciones que permiten su extracción en algunos minerales que podrían explotarse, la mayor parte de la producción de litio procede de salmueras de lagos salados de gran altitud, principalmente de los Andes, en América del Sur.
Pese a que su extracción es relativamente difícil, el carbonato de litio cuesta alrededor de 6 dólares estadounidenses por kilogramo y, como un paquete de baterías para vehículo eléctrico requiere solo unos tres kilogramos de carbonato de litio, su costo no es una preocupación importante por ahora.
La preocupación aquí tiene más que ver con la geopolítica: todos los países buscan la independencia energética, y sustituir el petróleo por baterías de litio como combustible para el transporte simplemente desplaza la dependencia de Oriente Medio a América del Sur.
Una posible solución sería sustituir el litio por sodio, un elemento que es 2.000 veces más abundante.
Desde el punto de vista electroquímico, el sodio es casi comparable al litio, lo que lo convierte en un candidato muy prometedor para las baterías. La investigación sobre baterías de iones de sodio ha experimentado un auge en los últimos años, y su rendimiento, una vez comercializadas, podría estar a la par del de sus equivalentes de iones de litio.
Aunque las baterías de iones de sodio quizá no ofrezcan ventajas significativas en costo o rendimiento frente a la tecnología de iones de litio, podrían brindar a todos los países una vía para fabricar sus propias baterías con recursos fácilmente disponibles.
No son la solución para todo
En cualquier caso, es probable que todas estas tecnologías emergentes presenten los mismos problemas de seguridad que las actuales celdas de iones de litio. La amenaza proviene del electrolito inflamable a base de solventes, que permite funcionar a voltajes superiores a dos voltios.
En efecto, dado que el agua se descompone en oxígeno e hidrógeno por encima de los dos voltios, no puede utilizarse en baterías de litio o sodio de tres voltios y se ha sustituido por costosos solventes de carbonato inflamables. Las alternativas, como los electrolitos sin solventes, no ofrecen a temperatura ambiente suficiente conductividad iónica para aplicaciones de alta potencia, como propulsar un automóvil, por lo que no se utilizan en celdas comerciales.
Afortunadamente, se calcula que, con la tecnología actual de iones de litio, solo una de cada 40 millones de celdas sufre una falla catastrófica que provoca un incendio. Aunque el riesgo no puede eliminarse por completo, los controles de ingeniería y los diseños conservadores pueden mantenerlo bajo control.
En suma, las baterías actuales de iones de litio ofrecen un rendimiento bastante bueno. Las composiciones químicas emergentes, como las de litio-azufre o litio-aire, tienen el potencial de revolucionar las aplicaciones de almacenamiento portátil de energía, pero aún están en fase de investigación de laboratorio y no hay garantía de que se conviertan en productos viables.
Para aplicaciones de almacenamiento estacionario de energía, como el almacenamiento de energía eólica y solar, otros tipos de baterías —incluidas las de alta temperatura de sodio-azufre o las de flujo redox— podrían resultar opciones más sostenibles y rentables que las baterías de iones de litio, pero esa podría ser la historia de otro artículo.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Matthieu Dubarry es investigador asistente en electroquímica y ciencia del estado sólido en el Hawaii Natural Energy Institute de la University of Hawaii. Arnaud Devie es investigador posdoctoral en el Hawaii Natural Energy Institute de la University of Hawaii.
Imagen: Baterías en un contenedor de recogida de un centro de reciclaje en Londres, 8 de diciembre de 2009. REUTERS/Kevin Coombs.