Hay más teléfonos móviles en el mundo que personas. Casi todos ellos funcionan con baterías recargables de iones de litio, que son el componente más importante que ha hecho posible la revolución de la electrónica portátil de las últimas décadas. Ninguno de esos dispositivos resultaría atractivo para los usuarios si no tuviera energía suficiente para durar al menos varias horas, sin ser especialmente pesado.
Las baterías de iones de litio también son útiles en aplicaciones de mayor tamaño, como los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía para redes inteligentes. Y las innovaciones de los investigadores en ciencia de materiales, que buscan mejorar las baterías de iones de litio, están allanando el camino para baterías aún más numerosas y con un rendimiento aún mejor. Ya se está gestando una demanda de baterías de alta capacidad que no se incendien ni exploten. Y muchas personas han soñado con baterías más pequeñas y ligeras que se carguen en minutos, o incluso en segundos, pero que almacenen energía suficiente para alimentar un dispositivo durante días.
Los investigadores como yo, sin embargo, piensan de forma aún más audaz. Los automóviles y los sistemas de almacenamiento en red serían aún mejores si pudieran descargarse y recargarse decenas de miles de veces a lo largo de muchos años, o incluso décadas. Los equipos de mantenimiento y los clientes adorarían baterías que pudieran supervisarse a sí mismas y enviar alertas si se dañaran o dejaran de funcionar al máximo rendimiento, o incluso que pudieran repararse solas. Y no puede ser demasiado soñar con baterías de doble uso integradas en la estructura de un objeto, que ayuden a dar forma a un smartphone, un automóvil o un edificio y que, al mismo tiempo, alimenten sus funciones.
Todo esto puede hacerse realidad a medida que mi investigación y la de otros ayuden a los científicos e ingenieros a dominar cada vez más el control y la manipulación de la materia a escala de átomos individuales.
Materiales emergentes
En su mayor parte, los avances en el almacenamiento de energía dependerán del desarrollo continuo de la ciencia de materiales, que llevará al límite el rendimiento de los materiales de batería existentes y desarrollará estructuras y composiciones de batería completamente nuevas.
La industria de las baterías ya trabaja para reducir el coste de las baterías de iones de litio, incluso eliminando el costoso cobalto de sus electrodos positivos, denominados cátodos. Esto también reduciría el coste humano de estas baterías, ya que muchas minas del Congo, principal fuente mundial de cobalto, recurren al trabajo infantil para realizar tareas manuales difíciles.
Los investigadores están encontrando formas de sustituir los materiales que contienen cobalto por cátodos compuestos principalmente de níquel. Con el tiempo, quizá puedan sustituir el níquel por manganeso. Cada uno de esos metales es más barato, más abundante y más seguro de manipular que su predecesor. Pero conllevan una contrapartida, ya que presentan propiedades químicas que acortan la vida útil de sus baterías.
Los investigadores también están estudiando sustituir los iones de litio que se desplazan entre los dos electrodos por iones y electrolitos que podrían ser más baratos y potencialmente más seguros, como los basados en sodio, magnesio, zinc o aluminio.
Mi grupo de investigación estudia las posibilidades de utilizar materiales bidimensionales, en esencia láminas extremadamente finas de sustancias con propiedades electrónicas útiles. El grafeno es quizá el más conocido de ellos: una lámina de carbono de un solo átomo de grosor. Queremos comprobar si apilar capas de diversos materiales bidimensionales y luego infiltrar el apilamiento con agua u otros líquidos conductores podría ser un componente clave de las baterías que se recargan muy rápidamente.
Mirar dentro de la batería
No solo los nuevos materiales amplían el mundo de la innovación en baterías: los nuevos equipos y métodos también permiten a los investigadores observar lo que ocurre en el interior de las baterías con mucha más facilidad que antes.
En el pasado, los investigadores sometían una batería a un proceso concreto de carga y descarga o a un número determinado de ciclos, y después extraían el material de la batería y lo examinaban a posteriori. Solo entonces los científicos podían conocer los cambios químicos que se habían producido durante el proceso e inferir cómo funcionaba realmente la batería y qué afectaba a su rendimiento.
Pero ahora los investigadores pueden observar los materiales de las baterías mientras atraviesan el proceso de almacenamiento de energía, analizando incluso su estructura y composición atómicas en tiempo real. Podemos utilizar técnicas espectroscópicas sofisticadas, como las técnicas de rayos X disponibles con un tipo de acelerador de partículas llamado sincrotón – así como microscopios electrónicos y sondas de barrido – para observar el movimiento de los iones y los cambios en las estructuras físicas mientras la energía se almacena en los materiales de una batería y se libera de ellos.
Estos métodos permiten a los investigadores como yo imaginar nuevas estructuras y materiales de batería, fabricarlos y comprobar lo bien que funcionan o, en su caso, lo mal que lo hacen. Así, podremos seguir impulsando la revolución de los materiales de las baterías.
