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Baterías más limpias y ecológicas: rompiendo los límites del almacenamiento de energía
Gracias al auge de las energías renovables, en estos días 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 automóviles, bicicletas eléctricas y dispositivos durante más tiempo.
Es una situación en la que todos hemos estado. Estás ocupado con alguna tarea y el ícono rectangular en la esquina superior derecha de la pantalla se vuelve rojo y parpadea para indicar que casi no tienes batería. Sin embargo, los problemas con las baterías van mucho más allá de este tipo de inconvenientes menores. Las baterías son un componente crítico de nuestro futuro de energía verde, aunque imperfecto.
En el futuro, se espera que una gran parte de nuestra energía provenga 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 excedente de electricidad generado por las energías renovables, hasta que estemos listos para consumirlo. Mejores baterías son una forma importante de hacer esto. Si queremos alimentar las flotas previstas de automóviles eléctricos y dispositivos de movilidad, necesitaremos una gran cantidad de baterías.
Un gran problema actual es que incluso las mejores baterías tienen problemas. Por ejemplo, un gran punto conflictivo con las celdas de iones de litio es que usan litio como componente clave. Esto se extrae como sal. Dado que Europa actualmente no tiene grandes reservas, depende de las importaciones de solo un pequeño número de 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 recargas repetidas.
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 salen del ánodo al cátodo para alimentar cualquier dispositivo al que esté 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, esto va a la inversa.
Densidad de energia
Todo el proceso es una reacción electroquímica reversible. Hay muchos sabores de este proceso básico con diferentes tipos de productos químicos e iones involucrados. Una opción particular que está explorando 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, ya que, a diferencia de las baterías típicas de iones de litio, no utilizan un electrolito líquido inflamable.
“Necesitamos continuar invirtiendo en investigación para validar la próxima generación de baterías”.
— Dra. Sophie Mailley, ASTRABAT
La electroquímica Dra. Sophie Mailley de la Comisión de Energía Atómica y Energías Alternativas (CEA) en Grenoble, Francia, es la coordinadora del proyecto ASTRABAT. Ella explica que las baterías de estado sólido a base de litio ya existen. Pero estas baterías usan un 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 enfrentar los problemas del cambio climático”, dijo el Dr. Mailley.
Ella y su equipo de socios han estado trabajando para perfeccionar 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 determinar cuáles funcionan mejor juntos. El Dr. Mailley dice que ahora han identificado los componentes adecuados y están trabajando en formas de ampliar la fabricación de las 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, eso podría aumentar el reciclaje de litio y reducir la dependencia de las importaciones.
El Dr. Mailley estima que, si la investigación va bien, las baterías de litio de estado sólido, como en la que está trabajando ASTRABAT, podrían entrar en uso comercial en automóviles eléctricos alrededor de 2030. “No sé si son estas baterías de estado sólido las que será la próxima innovación importante en baterías”, dijo el Dr. Mailley. “Hay muchas otras soluciones posibles, como usar manganeso o sodio (en lugar de litio). Esos 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 a las redes eléctricas, las baterías deben ser confiables y de alta capacidad, lo que significa costosas. El litio escaso no es la mejor opción. En cambio, el proyecto HIGREEW está investigando otro tipo diferente 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 la batería está en uso, estos se bombean a una cámara conocida como 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 en CIC energiGUNE, un centro de investigación cerca de Bilbao en España. Explica que muchas baterías de flujo redox a gran escala ya están en funcionamiento en todo el mundo y están diseñadas para ser estables y durar unos 20 años. Pero estas baterías existentes usan vanadio disuelto en ácido sulfúrico, que es un proceso tóxico y corrosivo. Los requisitos de seguridad significan que estas baterías deben fabricarse con un gran costo.
“Diría que tenemos un florecimiento aquí en Europa, con muchas empresas trabajando en baterías de flujo”.
— Dr. Eduardo Sánchez, HIGREEW
“El vanadio tiene muchos puntos fuertes: es barato y estable”, dijo el Dr. Sánchez. “Pero si tiene una fuga de una de estas baterías, eso no es bueno. Debe diseñar los tanques para que sean extremadamente duraderos”.
Menos tóxico
El proyecto HIGREEW tiene previsto crear una batería de flujo redox que utilice materiales mucho menos tóxicos, como soluciones salinas en agua que almacenan iones a base de carbono. Sánchez y su equipo de colegas han estado trabajando en el desarrollo de la mejor receta para esta batería, analizando muchas combinaciones diferentes de sales y soluciones químicas. Ahora han elaborado una lista de algunos prototipos que funcionan bien y están trabajando para ampliarlos.
Se está trabajando en un enorme prototipo de batería en el centro CIC energiGUNE. “Tenemos que asegurarnos de que mantengan su buen desempeño a escala”, dijo el Dr. Sánchez.
Su equipo también ha estado investigando un método para sumergir materiales de membrana de batería disponibles en el mercado para alterarlos químicamente y hacer que duren más.
El Dr. Sánchez ve un futuro brillante para las baterías de flujo redox. “Diría que tenemos un florecimiento aquí en Europa, con muchas empresas trabajando en baterías de flujo”. Él predice que la fabricación de baterías de flujo redox podría generar abundantes oportunidades de empleo en Europa en los próximos años.
La investigación en este artículo fue financiada por la UE.
Este artículo se publicó originalmente en Horizon, la revista de investigación e innovación de la UE.
