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Últimas tendencias en baterías

Del 10 al 15 de marzo, Barcelona acoge la reunión anual de la International Battery Association, en la que se reunirán tanto científicos que trabajan en el desarrollo de baterías como empresas y estudiantes de todo el mundo.

El encuentro, organizado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) del CSIC y que ha cerrado ya la inscripción debido a la gran afluencia (más de 180 asistentes inscritos), será una puesta al día de la investigación más reciente en este ámbito.

M. Rosa Palacín, investigadora del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona y coordinadora del evento, explica alguna de las líneas actuales de la investigación en esta área. La mayoría se centran en la búsqueda de nuevos materiales para hacer las baterías más eficientes, seguras y económicas, y aumentar su duración para satisfacer la creciente demanda de la electrónica portátil y de la automoción.

Mejorar los materiales

La energía que provee la batería se deriva de los electrones que pasan de un electrodo al otro, a través del circuito externo. Esquema realizado por el ICMAB.Una batería es un dispositivo químico de almacenamiento de energía que consta de dos compuestos electroquímicamente activos, que constituyen la materia activa de los electrodos, separados por un medio aislante electrónico pero conductor iónico, el electrolito. La energía que provee la batería se deriva de  los electrones que pasan de un electrodo al otro, a través del circuito externo, y que son compensados por una transferencia de iones a través del electrolito.

Cuando el material activo de uno de los electrodos se agota, la batería se encuentra totalmente descargada. Si el proceso puede invertirse aplicando una corriente eléctrica externa, las baterías pueden recargarse. La cantidad de veces que pueda recargarse una batería manteniendo una cierta capacidad (aproximadamente el 80% de la inicial) es lo que se conoce como vida media de la batería en número de ciclos de carga/descarga. Así, mejorar aspectos como la potencia, duración o seguridad pasa por mejorar los materiales que forman los electrodos y el electrolito.

Energía y potencia

La tecnología basada en litio ha permitido un gran desarrollo de las aplicaciones portátiles dada su gran densidad de energía y de potencia. No existe una tecnología única de ión litio, ya que los materiales de electrodos pueden ser muy diversos dependiendo de las prioridades: el fosfato de litio y hierro es menos tóxico y más seguro que el óxido de litio y cobalto pero a expensas de una energía inferior, por ejemplo.

No obstante, “todo depende de la aplicación a la que se destina” aclara la investigadora M. Rosa Palacín. “En algunos casos hay que priorizar la potencia y en otros la energía. En las herramientas eléctricas, que se usan de forma breve pero requieren una densidad importante de energía, se necesita potencia; en cambio, para aplicaciones de menor potencia (móviles), interesa más la energía que la potencia”.

Mejorar aspectos como la potencia, duración o seguridad pasa por mejorar los materiales que forman los electrodos y el electrolito.

Otros materiales con los que se investiga son aleaciones metálicas, sobretodo en base a estaño y silicio, que de poderse utilizar en el electrodo negativo darían lugar a un aumento muy significativo de la capacidad. También se han estudiado los llamados “materiales de conversión” (como óxidos simples de hierro, cobalto etc) que dan lugar a grandes capacidades pero tienen problemas intrínsecos que a día de hoy no se han podido todavía solucionar como la gran diferencia entre los voltajes de carga y descarga.

Mayor seguridad

Un problema recurrente es el de la seguridad. El electrolito es un disolvente orgánico inflamable. En determinadas condiciones más extremas (sobrecarga o cortocircuitos, por ejemplo) pueden provocar que este material inflamable arda. Así parece haber sucedido en casos recientes como el del Boeing 757 Dreamliner, al que se le quemó la batería (aparentemente por una sobrecarga), o el de un coche eléctrico que tras una embestida en un accidente empezó a arder.

Baterias de litio. Imagen: CSIC.Por ello, la investigación busca nuevos materiales que prevengan esas situaciones. Por ejemplo, se trabaja en electrodos que no desprendan oxígeno (como el fosfato de litio y hierro arriba mencionado) o en electrolitos que incorporen componentes (líquidos iónicos) o aditivos que reduzcan la inflamabilidad.

Más futuristas son las baterías de litio-azufre y de litio-aire, conceptualmente muy interesantes y sobre las que se han creado muchas expectativas pero que aún tienen problemas fundamentales que resolver.  M. Rosa Palacín explica que “podrían dar una densidad energética muy alta por menor precio, pero aún deben superar muchos escollos”. De entre ellas, la más viables parece la batería litio-azufre, pero no a corto plazo. “El azufre se disuelve en el electrolito, lo que acaba arruinando la batería en muy poco tiempo.”

Sobre la nanotecnología, Palacín apunta que puede ser de ayuda cuando los materiales usados en la batería son muy seguros. De lo contrario, la nanotecnología no es una buena opción, ya que los materiales a escala nanométrica suelen presentar menor densidad y suelen exacerbar reacciones secundarias no deseadas, como la descomposición catalítica del electrolito.

Baterías de sodio

Una línea prometedora está en las baterías de ión sodio. El equipo dirigido por M. Rosa Palacín, en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, está trabajando en esta línea. “El sodio es más barato que el litio (un elemento escaso y caro) y la química es parecida”, apunta Palacín.

“Hay quienes proponen usar el litio para las baterías en cualquier aplicación pero en casos donde el peso no es tan importante, como en aplicaciones estacionarias, es mejor la opción del sodio, ya que es un elemento abundante y barato”. Aún está por ver la capacidad que pueden tener las baterías de ión sodio, aunque los investigadores creen que podría ser similar a las baterías de ión litio.