Híbridos y Eléctricos

EVOLUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LAS BATERÍAS

Así han evolucionado las baterías: desde el cobalto hasta el futuro de estado sólido

¿Cómo funcionan y cómo han evolucionado las baterías? Actualmente tienen un alto valor ya que sin ellas la mayoría de nuestros dispositivos o vehículos eléctricos no podrían realizar sus funciones. Hoy vamos a ver cuál ha sido la historia y cómo trabajan estos dispositivos.

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Así han evolucionado las baterías: desde el cobalto hasta el futuro de estado sólido

Las baterías son un dispositivo que hoy en día está más en estudio que nunca. La abundancia cada vez más de vehículos eléctricos, u otros dispositivos que dependen directamente de esta tecnología, está haciendo que las diferentes marcas investiguen lo mucho que puede llegar a dar de sí. Pero antes de ver qué nos depara en un futuro, veamos cuál ha sido la historia y la evolución de sus componentes.

Desde mediados del pasado siglo XX, los investigadores han recorrido mucho camino para desarrollar unas baterías estables, asequibles y duraderas. La investigación de estos almacenes enérgicos pasa por el desarrollo de nuevos materiales y compuestos. Pero antes de continuar con la historia debemos conocer cómo es una batería por dentro. 

Todas las baterías están construidas por cuatro componentes fundamentales: dos electrodos llamados ánodo y cátodo, un electrolito líquido donde se mueven los iones que almacenan la energía y un separador que evita que los electrodos entren en contacto directo entre sí. Cuando cargamos la batería de nuestro smartphone, coche o cualquier otro dispositivo, lo que ocurre es que los iones y su electrolito líquido fluya hacia el ánodo. Conforme la batería se va descargando, significa que estos se han desplazado hacia el lado del cátodo. Simple, ¿no?

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Llevamos años experimentando el cargar las baterías de nuestros dispositivos y aunque para la mayoría de personas pasa desapercibido la tecnología que incorporan internamente, debemos especificar que es mucha. Smartphones con carga rápida, mayor autonomía, etc. Todo esto influye directamente gracias a pequeñas mejoras en los materiales o a las innovaciones químicas. 

¿Cómo podemos juzgar si una batería es buena o mala? Esto viene determinado a través de la cantidad de energía que puede contener, en resumidas cuentas: su capacidad. Pero también la relación entre la velocidad de carga de la batería, los ciclos que puede soportar y el tiempo que tarda en descargarse hacen que determinemos la calidad de una batería. Lógicamente, esto también determina el precio de la misma.

El coste de estas ha evolucionado rápidamente, democratizándose de una manera mucho más acusada de lo que lo han podido hacer otros dispositivos actuales. En el año 2010 se pagaba hasta más de 6 veces que hoy por el mismo producto, es decir, hace 11 años el precio del kilovatio-hora (kWh) era de unos 1.100 dólares; hoy podemos adquirir tal cantidad por algo menos de 180 dólares. Durante la próxima década se espera que este precio disminuya a la mitad. En nuestra vida diaria, esto puede redundar en un coste de adquisición de vehículos eléctricos mucho más bajo que una alternativa similar de combustible fósil.

Para conocer los inicios de la batería de iones de litio tenemos que remontarnos hasta la década de 1970. El metal de litio utilizado en aquella época para el ánodo provocaba incendios, por lo que su peligrosidad era elevada. A medida que avanzaban los años, se investigaba con nuevos materiales basados en cobalto o el grafito. Este último daba una estabilidad y una vida mucho mayor a la batería. Durante la década de 1990, Keizaburo Tozawa, director de la división de baterías de Sony, reunió todas estas innovaciones y patentó la primera batería comercial de iones de litio. 

Actualmente estos materiales siguen siendo necesarios para la fabricación de nuestras baterías, lo que ha provocado que algunos de ellos, como el litio, disparen su precio en el mercado. Es por ello que muchas empresas están buscando una alternativa más asequible a estos materiales, como el níquel, manganeso o el hierro. En el mercado de las baterías, cuando un componente es más barato significa que su rendimiento es notablemente inferior, por eso una gran cantidad de multinacionales han investigado para hallar tres fórmulas principales: 

  • Óxido de níquel, manganeso y cobalto (NMC) 
  • Óxido de níquel, cobalto y aluminio (NCA) 
  • Fosfato de hierro y litio (LFP)

En un primer momento, los investigadores pretendían prescindir del uso del cobalto, pero esto no fue posible, aunque con el uso de la fórmula de NMC se reducía considerablemente su integración, ya que el compuesto que formaba el óxido de níquel y el manganeso aumentaba las capacidades del cobalto por sí solo.

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Tras algunos años de investigación, los químicos lograron aumentar el grosor del material del ánodo y del cátodo y recombinar la fórmula, de manera que podían prescindir aún más del cobalto y del níquel. Esto ayudaba al aumento del almacenaje de aún más iones de litio, lo que repercutía en una mejora en la energía de dicha batería, aumentando su autonomía y disminuyendo su precio. 

En el año 2012, la marca de vehículos eléctricos Tesla llegó para revolucionar el mercado de estos coches a través de una reformulación en los componente de sus baterías. Los americanos, junto a su socio Panasonic, innovaron para introducir el aluminio. Esta reformulación prescindía aún más del uso del cobalto y disminuía costes de adquisición y venta. Tesla invirtió un gran número de dividendos en la investigación química de nuevos materiales, lo que ha redundado en una mejora en la autonomía de sus vehículos con respecto a otras marcas competentes. 

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Estos investigadores, descubrieron que si introducían levemente óxido de silicio a la fórmula, se reducía el uso del grafito y ayudaba a disminuir el peso total de la batería sin sacrificar el rendimiento y abaratando aún más los costes. Esta innovación la introdujo por primera vez el Tesla Model 3 en el año 2017. 

Actualmente, la meta que persiguen los investigadores es poder prescindir del cobalto por completo. De esta finalidad se llegó a la fórmula de LFP (litio-ferrofosfato), la cual utiliza el hierro, un material cuantiosamente más económico. A pesar de que la fórmula funcionaba sobre el papel, lo cierto es que no era capaz de almacenar tantos iones de litio como en las alternativas que utilizaban el cobalto.

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Sin embargo, el LFP sí encontró su propio camino instalándose en vehículos como taxis o autobuses, ya que precisan de baterías económicas y, en el caso de los buses, de gran tamaño. Por ello, este tipo de tecnología fue destinada a un tipo de vehículo más bien alternativo -y de mayor tamaño-. Hoy en día se utilizan a pesar de que las fórmulas descritas anteriormente siguen demostrando su superioridad. 

El futuro es de estado sólido

Actualmente la investigación y el desarrollo de nuevos tipos de baterías se está encaminando hacia las llamadas baterías de estado sólido. Su nombre hace mención a que utiliza litio sólido entre el ánodo y el cátodo. Este material ha supuesto años de ingeniería química, ya que podía llegar a ser inestable y provocar combustiones espontáneas cuando era expuesto a unos altos niveles de trabajo, debido principalmente a que en el interior puede formar hilos llamados dendritas, capaces de atravesar el separador y tocar el cátodo, lo que culminaba en un cortocircuito.

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Las investigaciones están tomando el camino de la utilización de electrolitos sólidos para reemplazar el líquido en el interior, de ahí su nombre de batería en estado sólido, lo que elimina la posibilidad de formación de las llamadas dendritas. Actualmente es un material que no comprende riesgo alguno, pues este nuevo tipo de baterías se presenta como uno de los más seguros debido a su nulo riesgo de incendio. 

La introducción en el mercado de estas nuevas baterías se espera que se lleve a cabo durante la segunda mitad de esta década, adquiriendo un notable salto en el rendimiento de las baterías de coches eléctricos con una incremento de su autonomía de hasta un 50 % y reduciendo los tiempos de carga a 15 minutos.

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