La sociedad necesita más y mejores baterías para alimentar las flotas de coches eléctricos.
Gracias al auge de las energías renovables, hoy en día el factor limitante de la revolución energética no es tanto el suministro de energía como el almacenamiento de energía. Se necesitan baterías más limpias y ecológicas para cargar nuestros coches, bicicletas eléctricas y electrodomésticos durante más tiempo.
Es una situación en la que todos hemos estado. Está ocupado con una tarea y el ícono rectangular en la esquina superior derecha de la pantalla se vuelve rojo y parpadea para indicar que está casi sin batería. Sin embargo, los problemas de batería van mucho más allá de este tipo de molestias menores. Las baterías son una parte esencial de nuestro futuro de energía verde, incluso si es imperfecto.
En el futuro, gran parte de nuestra energía debería provenir de fuentes renovables como la solar y la eólica. Sin embargo, todos sabemos que hay momentos en que el viento no sopla y el sol no brilla. Para equilibrar el suministro, necesitamos almacenar el exceso de electricidad producido por las energías renovables, hasta que estemos listos para consumirlo. Mejores baterías son una forma importante de lograr esto. Si queremos alimentar las flotas previstas de automóviles eléctricos y dispositivos de movilidad, necesitaremos una gran cantidad de baterías.
Un gran problema persistente es que incluso las mejores baterías tienen problemas. Por ejemplo, un gran problema con las celdas de iones de litio es que utilizan litio como componente clave. Esto se extrae como sal. Dado que Europa actualmente no tiene grandes reservas, solo depende de las importaciones de algunos lugares, como Australia y Chile. Otros problemas con las baterías de litio son que son caras, tienen una capacidad de almacenamiento limitada y pierden rendimiento después de cargarlas repetidamente.
Si queremos mejorarlos, primero debemos entender cómo funcionan. Las baterías tradicionales de iones de litio tienen tres componentes clave. Hay dos componentes sólidos llamados electrodos, el ánodo y el cátodo, y un líquido llamado electrolito. Cuando la batería se descarga, los electrones fluyen del ánodo al cátodo para alimentar el dispositivo al que está conectado. Los iones de litio positivos se difunden a través del electrolito, atraídos por la carga negativa del cátodo. Cuando la batería se está cargando, va en la dirección opuesta.
Densidad de energia
Todo el proceso es una reacción electroquímica reversible. Hay muchas variaciones de este proceso básico con diferentes tipos de productos químicos e iones involucrados. Una opción particular explorada por el proyecto ASTRABAT es eliminar el electrolito líquido y convertirlo en un sólido o gel. En teoría, estas baterías de estado sólido tienen una mayor densidad de energía, lo que significa que pueden alimentar dispositivos durante más tiempo. También deberían ser más seguras y rápidas de fabricar porque, a diferencia de las baterías de iones de litio convencionales, no utilizan un electrolito líquido inflamable.
«Debemos seguir invirtiendo en investigación para validar la próxima generación de baterías».
— Dra. Sophie Mailley, ASTRABAT
La electroquímica Dra. Sophie Mailley del Comisariado de Energía Atómica y Energías Alternativas (CEA) en Grenoble, Francia, es la coordinadora del proyecto ASTRABAT. Ella explica que ya existen baterías de estado sólido a base de litio. Pero estas baterías utilizan gel como electrolito y solo funcionan bien a temperaturas de alrededor de 60 °C, lo que significa que no son adecuadas para muchas aplicaciones. «Está claro que necesitamos innovar en esta área para poder hacer frente a los problemas del cambio climático», dijo el Dr. Mailley.
Ella y su equipo de socios trabajaron en el desarrollo de una receta para una mejor batería de litio de estado sólido. El trabajo consiste en observar todo tipo de componentes candidatos para la batería y descubrir cuáles funcionan mejor juntos. El Dr. Mailley dice que ahora han identificado los componentes adecuados y están trabajando en formas de aumentar la fabricación de baterías.
Una pregunta que ella y su equipo planean investigar a continuación es si será más fácil reciclar el litio y otros elementos de las baterías de estado sólido en comparación con las baterías típicas de iones de litio. Si es así, podría aumentar el reciclaje de litio y reducir la dependencia de las importaciones.
El Dr. Mailley cree que si la investigación va bien, las baterías de litio de estado sólido como en la que está trabajando ASTRABAT podrían estar disponibles comercialmente en automóviles eléctricos alrededor de 2030. «No sé si estas baterías de estado sólido serán la próxima gran innovación en baterías», dijo el Dr. Mailley. “Hay muchas otras soluciones posibles, como usar manganeso o sodio (en lugar de litio). Estos podrían funcionar. Pero debemos continuar invirtiendo en investigación para validar la próxima generación de baterías”, dijo.
cargado positivamente
Cuando se trata de almacenar energía con el fin de suavizar el suministro de las redes eléctricas, las baterías deben ser confiables y de alta capacidad, por lo tanto costosas. El litio raro no es la mejor opción. En cambio, el proyecto HIGREEW está investigando otro tipo de batería, conocida como celda de flujo redox.
Los componentes principales de las baterías de flujo redox son dos líquidos, uno con carga positiva y otro con carga negativa. Cuando se usa la batería, estos se bombean a una cámara llamada pila de celdas, donde están separados por una membrana permeable e intercambian electrones, creando una corriente.
El coordinador del proyecto es el químico Dr. Eduardo Sánchez de CIC energiGUNE, un centro de investigación cerca de Bilbao en España. Explica que muchas baterías de flujo redox a gran escala ya están en uso en todo el mundo y que están diseñadas para ser estables y durar alrededor de 20 años. Pero estas baterías existentes usan vanadio disuelto en ácido sulfúrico[{» attribute=»»>acid, which is a toxic and corrosive process. Safety requirements mean these batteries must be manufactured at great expense.
“I would say we have a bloom here in Europe, with a lot of companies working on flow batteries.”
— Dr. Eduardo Sanchez, HIGREEW
“Vanadium has lots of strengths – it’s cheap and stable,” said Dr. Sanchez. “But if you have a leak from one of these batteries, that’s not nice. You must design the tanks to be extremely durable.”
Less toxic
The HIGREEW project is planning to create a redox flow battery that uses far less toxic materials such as salt solutions in water which stores carbon-based ions. Sanchez and his team of colleagues have been working on developing the best recipe for this battery, screening many different combinations of salts and chemical solutions. They have now come up with a shortlist of a few prototypes that perform well and are working on scaling these up.
Work on one huge prototype battery is ongoing at the CIC energiGUNE center. “We have to ensure that they maintain their good performance at scale,” said Dr. Sanchez.
His team has also been investigating a method of dipping commercially available battery membrane materials so as to chemically alter them, making them last longer.
Dr. Sanchez sees a bright future for redox flow batteries. “I would say we have a bloom here in Europe, with a lot of companies working on flow batteries.” He predicts that manufacturing redox flow batteries could bring abundant employment opportunities to Europe in the coming years.
Research in this article was funded by the EU.
This article was originally published in Horizon, the EU Research & Innovation Magazine.