Una cuestión de peso, química y tiempo

Una cuestión de peso, química y tiempo

Las baterías de ion-litio son actualmente la tecnología de almacenamiento electroquímico de energía más avanzado y con mayor expansión de mercado en el futuro. El uso de este tipo de baterías nos ha proporcionado grandes avances en nuestra vida cotidiana, ya que gracias a ellas podemos usar dispositivos electrónicos como ordenadores, teléfonos móviles o tablets con enorme comodidad. Y por supuesto, han sido las impulsoras de que a día de hoy podamos volver a hablar de la movilidad eléctrica como una alternativa viable usando este tipo de baterías en todo tipo de vehículo eléctrico. Y no es de extrañar que debido al impacto de esta tecnología, el premio Nobel de Química de 2019 se haya concedido a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino por sus contribuciones a la creación de la batería de litio recargable.

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¿Por qué se está usando este tipo de baterías frente a otras opciones? Pero para responder a ello primero deberíamos preguntarnos ¿En qué características nos debemos fijar para seleccionar un tipo de química de baterías u otra?

En realidad es un conjunto de varios factores los que debemos analizar y se trata de escoger aquella opción que en función del tipo de aplicación reúna un compromiso en optimizar prestaciones, disponibilidad de materias primas, coste, calidad y reducido impacto medioambiental. El asunto llevaría tratarlo en varios artículos. Con el fin de no extenderme, nos vamos a centrar hoy en la densidad de energía. Este parámetro es fundamental para entender por qué los vehículos eléctricos tienen hoy la autonomía que tienen.

El éxito de las baterías de ion-litio frente a otro tipo de químicas, entre otras cosas, viene dado por su elevada densidad energética. Es decir, contienen mucha energía almacenada por unidad de volumen y por unidad de masa proporcionando de esta manera unas baterías de reducidas dimensiones y ligeras. En el siguiente diagrama se puede ver la comparativa entre distintos tipos de baterías recargables. Las más pesadas y voluminosas son las de plomo-ácido en todas sus variantes, seguido de las de níquel-cadmio y níquel-metal hidruro. Mientras las baterías de litio se desmarcan siendo las más densas aproximadamente alrededor de 8 veces más ligeras y 5 veces menos voluminosas que las más densas de plomo-ácido. Por lo tanto, puedes concentrar más energía en menor espacio y pesando menos. Y esto es debido porque el litio es el metal más liviano de la naturaleza que le otorga una alta densidad gravimétrica (Wh/kg) y volumétrica (Wh/L), lo que lleva a una reducción significativa de peso y volumen de la batería.

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Esta diferencia significativa ha sido la que nos ha permitido en pensar en que la movilidad eléctrica puede volver a ser posible. En la segunda mitad del siglo XIX, los primeros automóviles de la historia que tuvieron un gran éxito de aceptación por el público fueron eléctricos. Y fue gracias a la invención de la batería de plomo-ácido por Gastón Planté en 1859. Sin embargo no iban demasiado lejos. Para hacernos una idea, el primer vehículo híbrido, el Löhner-Porsche, construido en 1899 por un jovencísimo Ferdinand Porsche, disponía de un sistema de baterías de plomo-ácido formado por un conjunto de 44 celdas que suministraban una tensión de 80 Voltios, de 300 Amperios-hora de capacidad, para alimentar 4 motores eléctricos situados en cada una de las llantas. El peso de esa batería era de 1800 kilogramos, haciendo que el vehículo pesara en total unas 4 toneladas. El coche podía alcanzar los 35 km/h y alcanzar una autonomía de unos 50 km. Las baterías, se podían recargar gracias a un motor de gasolina que llevaba instalado. Es por eso, que es considerado el primer híbrido-serie de la historia.

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Sin duda, y visto en perspectiva fue un gran avance, del que incluso la NASA se inspiró en él para diseñar el Rover lunar. Pero este tipo de vehículos fueron desapareciendo del mercado entrado el siglo XX, debido entre otras cosas a su baja densidad energética. Y es que hay que tener en cuenta que la densidad de energía del diesel y la gasolina está entorno a los 10.000 Wh/L y 11.000 Wh/kg. Por lo que si lo comparamos con la densidad energética de las baterías de plomo-ácido podríamos estar hablando que la energía almacenada en un combustible fósil ocupa y pesa una 400 veces menos que en una batería de plomo-ácido. Algún lector podrá estar pensando, "ojo! no estás teniendo en cuenta las eficiencias de los motores y la transmisión mecánica,...". Cierto, estamos hablando en términos absolutos. Aún así a pesar de que las eficiencias de los motores térmicos están entorno al 30% y la de un motor eléctrico la podríamos situar sobre el 98%, sigue siendo una diferencia significativa.

Emplear baterías compuestas por celdas de ion-litio reduce mucho más esta diferencia. El estado del arte actual sitúa las celdas de litio más prometedoras en densidades gravimétricas de 250 Wh/kg. Se está hablando que en los próximos años va haber una evolución y va a aumentar esta densidad al doble e incluso al triple. ¿Y cómo se hace esto? Trabajando con la química. Mejorando los materiales en los que están formados los electrodos de las celdas, es decir el cátodo y el ánodo, para que los iones de litio puedan intercalarse en su superficie. Por ejemplo, muchas celdas de litio tienen ánodos compuestos por grafito, una forma alotrópica del carbono. El grafito puede albergar un ión de litio por cada 6 átomos de carbono. Mientras un ánodo compuesto por silicio puede albergar por cada átomo de silicio 4,4 átomos de litio. Esto aumenta considerablemente la densidad de energía que puede almacenar. Sin embargo, no es tan fácil como hacer un simple cambio de compuesto, se tiene que tener otros factores en cuenta. Todavía deben investigar en cómo solventar el problema de los cambios de volumen de estas celdas durante las etapas de carga y descarga que pueden alcanzar variaciones del 300%. Estas variaciones provocan roturas en el electrodo que deterioran la celda. En cuanto a los cátodos de las celdas de litio, normalmente son óxidos de metal, como el litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC) o el litio ferrofosfato (LFP). Es posible mejorar el rendimiento de estos materiales existentes a través de diferentes estrategias, incluida la creación de defectos en el material, la manipulación de complejos nanoestructurados, la sustitución con diferentes metales, el dopaje con elementos extraños y distintos recubrimientos. No obstante, para que sea exitoso deben de también cumplir requisitos en cuanto una resistencia a la degradación aceptables, un control de la temperatura alcanzada durante las reacciones de carga y descarga, y reducir su envejecimiento prematuro, para que comercialmente puedan ser una alternativa viable, además de una reducción del coste. Estos avances llevarán a que pronto podremos ver coches eléctricos con autonomías más amplias y con baterías más ligeras.

Esperar es lo único que nos queda. El camino se ha iniciado, y los avances llegarán, solo tenemos que ser pacientes. No debemos olvidar que la primera batería de litio que se comercializó fue en 1991. Los trabajos de los premios Nobel se realizaron en las décadas de 1970 y 1980. Vamos en la senda correcta, solo es cuestión de tiempo.

Carles Martínez

Soy un #weldingfanatic. Aporto mi experiencia en la comercialización y venta de soldadura en SOLTER SOLDADURA, SL. Gestiono FEC Vall del Ter, un club de formación. Me mueven las personas y los soldadores.

4 años

Gracias por compartirlo!

Xavier P.

Global Customer Experience Senior Manager

4 años

Muy interesante, Edgar Aneas!

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