Actualizado a: 22 de enero de 2024
Las baterías se han convertido en un gran aliado y un gran problema medioambiental. Y es que producir estas baterías tiene un impacto medioambiental, también lo tiene reciclarlas o tratarlas adecuadamente cuando van a un vertedero. Sin embargo, son el alma que da vida a multitud de dispositivos móviles o portátiles.
Por esta dualidad, muchos investigadores están centrados en buscar mejores alternativas para las baterías del futuro. Y es que no todo pasa por el litio, como podrás comprobar. Además, aquí te explicamos un poco las alternativas que existen por ahora y algunas tecnologías que podremos tener a nuestro alcance en un futuro.
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Alternativas a las baterías de litio
Como bien sabes, las baterías de Li-Ion (iones de litio) o las Li-Po (de polímero), son las que actualmente dominan en el mercado, tanto para equipos informáticos como para otros sectores. Y es que tienen una buena densidad de energía para almacenar más capacidad con un mismo volumen y peso que otras tecnologías, son recargables, ofrecen un bajo efecto memoria, y tienen otras muchas ventajas.
Sin embargo, la llegada de los equipos de energías renovable, los vehículos eléctricos y los problemas relacionados con la extracción y la seguridad del litio están obligando a los mercados a buscar baterías independientes de este metal alcalino. Como resultado de esta demanda, se están desarrollando numerosas alternativas de baterías de litio que podrían cambiar el equilibrio energético para el almacenamiento de energía.
Por eso, en las siguientes secciones vamos a ver algunas de las tecnologías en desarrollo que podrían alimentar nuestros dispositivos en un futuro:
Baterías acuosas de magnesio
El magnesio es uno de los metales que podrían ser un candidato ideal para reemplazar al litio, sin embargo, existen algunos problemas que dificultan esta sustitución. Recordemos que es un elemento bastante común en la corteza terrestre, no es tóxico, tiene un potencial electroquímico negativo y alta capacidad gracias a su electrón de valencia adicional.
En cambio, no todo son ventajas, ya que este metal se tiende a pasivar cuando está en ambientes acuosos por su afinidad por la humedad. En términos más simples el magnesio forma una capa protectora de óxido inerte en su superficie, lo que hace que su uso como ánodo de batería reactiva sea casi imposible.
Sin embargo, un investigador de la Universidad de Hong Kong, Dennis Leung, logró crear una batería de electrolito acuoso (agua con sal) que regulaba esta capacidad negativa de la que hemos hablado cuando se usa un ánodo de magnesio.
De esta forma, crearon un electrolito supersaturado a base de cloruro en el que la sal (soluto) supera al disolvente (agua), lo que restringe la disponibilidad de agua libre para pasivar el ánodo de magnesio. Además, la adsorción de iones de cloruro en la superficie del ánodo reacciona con cualquier magnesio oxidado, lo que vuelve a exponer el metal desnudo para que la reacción redox pueda continuar.
Esto abrió nuevas puertas a la búsqueda de una nueva batería para su comercialización. Además, en la prueba de concepto que realizó Leung y su equipo de investigadores, la batería recargable duraba cientos de ciclos de carga, tenía una buena capacidad de carga, es más segura, barata y escalable que las actuales.
Baterías de estado sólido
Por otro lado, además de las baterías acuosas, también existen otras opciones más efectivas que podrían desarrollarse en un futuro. Por el momento las acuosas son lo mejor que podemos tener con la tecnología actual, pero los electrolitos líquidos son propensos a sobrecalentarse, a las fugas, pérdida de capacidad de carga con el tiempo (vida útil de la batería limitada), riesgos de ignición, etc.
Y no solo eso, también tienden a ser más pesadas, limitando la relación capacidad-peso. Pero existe una alternativa. Me estoy refiriendo a las baterías de estado sólido. Es decir, son aquellas baterías que usan un electrolito sólido, y que eliminarían estos problemas, pero han sido una tecnología esquiva hasta hace poco.
Investigadores de la NASA especializados en las baterías han sido los que han logrado crear estas baterías de estado sólido desde el inicio del programa en 2019. Se centraron en las tecnologías más innovadoras para implementar baterías para las aeronaves, consiguiendo grandes resultados en cuanto a capacidad, peso reducido hasta en un 40%, el triple de densidad de energía que las de litio, y más seguras.
Ahora, este programa de la NASA también ha abierto la colaboración con otras instituciones para seguir impulsando estas baterías de estado sólido, con alianzas como la Georgia Tech, Argonne National Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory, etc. Sin embargo, por el momento, no veremos demasiado pronto estos prototipos en nuestros equipos.
Por cierto, en el sector del automóvil eléctrico, hay que decir que la japonesa Toyota Motor tiene más de 1000 patentes actuales sobre tecnología de baterías de estado sólido, unas patentes que se podrían aplicar a otros sectores también, como el de los portátiles o dispositivos móviles en un futuro…
Baterías de sodio: Ánodos intermetálicos de telururo de sodio y antimonio
Por otro lado tenemos también el sodio, un metal alcalino del Grupo I de la tabla periódica y que tiene las mismas propiedades que el lítio en muchos sentidos, pero es más abundante y fácil de extraer, por ejemplo, del agua del mar o las minas de sal. Por eso también se ha pensado en él para sustituir a las baterías de litio.
Las baterías a base de sodio reducirían drásticamente el costo de la tecnología de baterías y eliminarían la necesidad de operaciones de extracción de litio costosas y dañinas para el medio ambiente, así como otros problemas actuales con las baterías de Li.
Los ingenieros han estado probando tecnologías de baterías a base de sodio con poco éxito hasta hace poco. Sin embargo, algunos investigadores actuales han conseguido algunos avances al respecto. Es el caso de la Universidad de Texas, en Austin. Allí se ha creado un grupo de tecnología que va en cabeza.
Pero para eso tienen que resolver varios impedimentos que existen actualmente con esta tecnología basada en sodio:
- Por un lado el sodio metálico como ánodo forma corrosión superficial inestable y dendritas de sodio que pueden provocar cortocircuitos en las baterías, generando riesgos de incendio.
- Por otro lado, cuanto más rápido se carga y descarga la batería, más rápido y grandes crecen estas dendritas, lo que significa que es casi imposible mitigar este problema.
Pero los investigadores de Austin han descubierto un material compuesto de capas de láminas delgadas de sodio enrolladas sobre polvo de telururo de antimonio. Este compuesto intermetálico de telururo de sodio y antimonio (NST-Na) resuelve el problema de las dendritas y se recarga tan rápido como las de Li.
El compuesto NST-Na se une mejor al sodio que el sodio se une a sí mismo, lo que significa que, en uso, el elemento preferirá unirse al ánodo en una capa uniforme y no se unirá a sí mismo ni formará dendritas inestables. Los investigadores ya han solicitado la patente del material y están realizando más investigaciones para investigar su viabilidad en aplicaciones comerciales. No obstante, he de decir que los materiales como el telurio no son tan baratos y abundantes…
Baterías de sodio y azufre
Un segundo grupo de la Universidad de Texas en Austin están creando un proyecto paralelo al anterior, también basado en sodio, pero en este caso son baterías de sal y azufre dentro de un solvente inmóvil y han conseguido evitar la disolución del azufre.
Ten en cuenta que, en los intentos actuales, el azufre se disuelve en la solución durante la descarga y se mueve entre los electrodos en una dinámica llamada de «lanzamiento» que da como resultado componentes dañados, pérdida de carga con el tiempo y formación dendrítica. Debido a este efecto, las baterías de sodio-azufre actuales tienen un ciclo de vida bajo y problemas de seguridad.
Con estos problemas, no son suficientes para sustituir a las actuales de litio, sin embargo, los avances en este sentido han permitido que esta barrera comience a desaparecer. Y es que los investigadores han descubierto cómo evitar que el azufre se disuelva al diluir la solución de sal concentrada con un solvente inerte que mantiene el azufre en un estado medio disuelto. Demostraron que, a temperatura ambiente, este nuevo electrolito evitó reacciones con el azufre no deseadas, mejoró de forma considerable la vida útil de la batería y, lo que es más importante, no utilizó litio ni otros metales de tierras raras tan caros y poco comunes.
Ahora este equipo de investigación sigue con los experimentos para demostrar la viabilidad, seguir madurando la tecnología y ver si puede tener aplicaciones comerciales. Una batería de sodio-azufre a temperatura ambiente, incluso si tuviera menos densidad energética, reduciría drásticamente el precio y aportaría baterías más fáciles de reciclar y menos tóxicas.
Algunos desarrollos paralelos a la Universidad de Texas también están aportando datos interesantes al respecto de este tipo de tecnología de baterías para el futuro, como el uso también de elementos como el disulfuro de molibdeno para dispersar al grafeno, etc. Algunas mejoras que terminarán por seguir mejorando aún más estas baterías.
Baterías de agua de mar
Sí, las baterías nuevas pueden provenir del océano y no de las profundidades subterráneas. El informe de IBM Research de 2019 reveló un esfuerzo que habían estado llevando en secreto para investigar nuevos materiales para las baterías del futuro. Concretamente hicieron varias patentes para sustituir al litio.
Desgraciadamente, el gigante IBM no ha publicado ninguna información sobre qué son estos materiales o cómo están diseñados para lograr una batería exitosa, pero lo más seguro es asumir que uno de estos materiales tiene una base de sodio, ya que es el metal más común en el agua de mar.
Por otro lado, IBM indica que su nueva tecnología puede alcanzar una carga del 0 al 80 % en menos de cinco minutos, tiene una enorme densidad de potencia de más de 10.000 W/L, la seguridad es mayor, reduce significativamente los costes y, lo que es más importante, elimina la necesidad de materiales como el cobalto, níquel y minería de metales pesados. Además, el agua marina es muy abundante en el planeta Tierra…
Poco se puede decir sobre la viabilidad, la escalabilidad dada la falta de datos aportado por estas investigaciones de IBM. Pero de lo poco que se conoce es que se asociaron con algunas empresas como Mercedes-Benz Research, Central Glass y Sidius, entre otras, para poder desarrollar el ecosistema de estas baterías. ¿Llegarán pronto al mercado estas baterías de agua marina? Veremos, por el momento son todo un misterio, pero parece un proyecto de lo más interesante…
Baterías de grafeno
Como sabes, el grafeno es una capa de un solo átomo de espesor de carbono. A este material se le han atribuido multitud de propiedades para muchos sectores, desde la construcción, hasta los semiconductores, pasando también por el sector de las baterías. Este material también es barato y abundante, aunque el mayor impedimento actual es su fabricación a gran escala, que no está demasiado conseguida y resulta costoso de producir.
Además, estos átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal de un átomo de espesor, crean un nanomaterial similar a un semiconductor, pero con algunas ventajas. Y es que el grafeno es 100 veces más fuerte que el acero, tiene una alta capacidad de carga, es altamente conductivo, y las baterías hechas a partir de él podrían sustituir a las de litio en un futuro próximo sin lugar a dudas.
Graphene Manufacturing Group (GMG), una empresa de tecnología limpia centrada en soluciones basadas en grafeno, se asoció con la Universidad de Queensland Australia y Uniquest para desarrollar una batería de iones de aluminio y grafeno. Usando su proceso de fabricación de grafeno patentado donde el gas natural se convierte en nanomaterial, GMG y sus colaboradores demostraron que sus baterías de grafeno y aluminio pueden tener las mismas propiedades que las de litio, e incluso superarlas, como su estabilidad a altas temperaturas, la potencia, su carga hasta 70 veces más rápida, 3 veces más duraderas, y sin necesidad de tierras raras.
Veremos si GMG da el paso ampliando sus productos comerciales mediante. Por ahora son solo prototipos. Pero de tener éxito, podrían revolucionar el futuro de las baterías. Además, serían unas baterías reciclables en un 90%, además de más baratas y efectivas…
Baterías de hidrógeno de manganeso
Por último, también existen las baterías de hidrógeno de magnesio. Como sabes, el magnesio es un metal de transición, y es el 12ª más abundante en la Tierra, el 6º metal más abundante. Esto lo hace más accesible que el litio, y también más barato. Además, el magnesio tiene muchas de las propiedades químicas y eléctricas del litio, por lo que es un buen sustituto.
El único problema importante con el manganeso es su inestabilidad, que cambia el rendimiento de la batería con el tiempo. El diseño en torno a este problema ha impedido en gran medida que la tecnología de baterías de manganeso progrese, sin embargo, los avances actuales están cambiando este hecho.
Investigadores de la Universidad de Stanford crearon una nueva batería recargable a base de agua en la que mostraron un intercambio de electrones reversible entre el agua y una sal de manganeso. En su prototipo, se podía apreciar cómo reaccionaba el sulfato de manganeso acuoso, dejando dióxido de manganeso en los electrodos y liberando el exceso de electrones en forma de gas hidrógeno.
Luego se invirtió la polaridad, lo que provocó que el dióxido de manganeso se disolviera de nuevo en agua y repusiera la sal de sulfato de manganeso, recargando así la batería y liberando más electrones en exceso como gas hidrógeno. Esto podría ayudar a generar baterías más accesibles, simples, y para uso doméstico, aunque no tienen una gran capacidad como otras de esta lista.
Sin embargo, los investigadores implicados en este proyecto están investigando más sobre este tipo de batería y confían tener versiones mejoradas en un futuro con capacidades mayores y para otros usos.
Futuro de las baterías: ¿no más cargas?
Y antes de terminar el artículo, me gustaría también comentar otro tema interesante. Y es que no todos los desarrollos se centran en mejoras las baterías actuales para sustituir al litio. También hay muchas investigaciones destinadas a acelerar la capacidad de carga, e incluso avances que permitan olvidarse de las cargas o, al menos, hacerlas más rápidas, sencillas, y eficientes.
Pero por el momento eso de olvidarse de cargar una batería es ciencia ficción, a no ser que cuente con una placa solar que vaya cargando la batería sin necesidad de enchufar. Pero, como digo, por ahora, tanto si tienes un dispositivo enchufable como si tienes un dispositivo con carga inalámbrica, la carga es necesaria en cualquiera de los casos…
