¿Sigue siendo el litio el futuro de las baterías?
El futuro de las pilas
La cuestión de el futuro de las pilas no es tan sencillo como preguntarse "¿cómo se está desarrollando la tecnología o¿Cómo serán las baterías en 2030? ¿Cómo funcionarán? Cuanto más se piensa en ello, más interesante resulta. r ¿Qué baterías serán las más populares?". Si tratamos de convertirnos en "futurólogos de las baterías", aparecen problemas como "el crecimiento de la población", "la aparición de megaciudades" y "el cambio en las tendencias de fertilidad". Lo único de lo que puedo estar absolutamente seguro es de que el futuro de las pilas será diferente del de las que utilizamos hoy.
Tendencia general del futuro de las pilas
La primera pregunta que hay que plantearse es cómo será la sociedad del futuro y cómo afectará a la evolución de las tecnologías de conducción, las normas reglamentarias, las diferencias regionales, etc. A principios de la década de 2000, vi cómo los gobiernos de Europa, Japón, Estados Unidos, China y muchos otros países hacían importantes ajustes en sus normas de ahorro de combustible y emisiones de dióxido de CARBONO en favor de vehículos más eficientes. En realidad, la tendencia comenzó en los años setenta.
Como la población mundial sigue creciendo, la necesidad de nuevas soluciones energéticas limpias por parte de los gobiernos sigue siendo elevada. El otro factor que hay que tener en cuenta es dónde se concentrará el crecimiento de la población. Según todas las proyecciones actuales, la mayor parte de este crecimiento se producirá en las grandes ciudades. Incluso a un ritmo algo más lento que en décadas anteriores, la población mundial sigue creciendo, y se prevé que sigan surgiendo megaciudades de más de 20 millones de habitantes, por lo que la tecnología de las baterías de iones de litio tendrá que seguir evolucionando para adaptarse a esta tendencia de crecimiento.
La magnitud y la concentración del crecimiento demográfico impulsarán cambios drásticos en muchas tecnologías para hacer frente al agotamiento de los recursos naturales y las emisiones, los gases de efecto invernadero y los efectos de la contaminación. Por ejemplo, funciones públicas como las empresas de suministro eléctrico, que históricamente han estado muy centralizadas por el Estado, evolucionarán hacia un sistema más descentralizado de producción y almacenamiento.
Hoy en día, la electricidad se produce a gran escala quemando carbón, energía nuclear e hidroeléctrica y se envía a los consumidores a través de la red. Pero en el futuro, lo más probable es que la electricidad se produzca y almacene localmente. Podríamos encontrar tejados cubiertos de paneles solares, turbinas eólicas en zonas comunes, etc., todo lo cual requeriría sistemas de baterías para distribuir la energía uniformemente a todos los hogares de una megaciudad.
El sector del transporte no se perderá la transición tecnológica. Una tendencia interesante y creciente es que cada vez menos jóvenes aspiran a tener coche propio y, en su lugar, muchos utilizan servicios de coche compartido y viven en zonas con transporte público. En lugar de comprar un coche que no utilizan la mayor parte del día ni de la noche, lo pagan sólo cuando lo necesitan. En algunas partes de Japón, también estamos viendo una tendencia hacia el "transporte personal", que dará lugar a un cambio importante en la forma en que los consumidores utilizan sus vehículos.
El resto del mundo quiere emular las tendencias observadas en las ciudades japonesas, probablemente porque Japón está más densamente poblado que la mayoría de las demás partes del mundo. Ahora que el crecimiento demográfico se está ralentizando e incluso se está volviendo negativo, las ciudades japonesas con grandes poblaciones están envejeciendo y buscan formas de satisfacer las necesidades de la población de más edad. Por supuesto, no podemos ignorar los crecientes mercados de China e India, donde la propiedad de automóviles es un símbolo de estatus y seguirá experimentando un gran crecimiento.
Pero a medida que la demanda de automóviles crezca rápidamente, las megaciudades sufrirán por la elevada contaminación y la escasez de plazas de aparcamiento. La evolución más reciente en el transporte ha sido la aparición de los vehículos autoconducidos. A medida que estos vehículos se introduzcan en grandes cantidades, seguirán impulsando los avances en las tecnologías auxiliares asociadas a ellos.
Tendencias tecnológicas del futuro de las pilas
Por desgracia, la tecnología de las baterías no ha evolucionado de acuerdo con la Ley de Moore. La Ley de Moore fue planteada por Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, en 1965: "A precios constantes, el número de transistores que caben en un circuito integrado se duplicará y el rendimiento se duplicará aproximadamente cada 18 meses. En otras palabras, cada dólar de potencia informática se duplicará con creces cada 18 meses. "
Esta ley revela la velocidad del progreso de la tecnología de la información. Ha demostrado ser muy exacta en la industria de los semiconductores, pero desgraciadamente no se aplica a las baterías. Si nos remontamos a 1991, cuando se introdujeron las baterías de iones de litio para el mercado civil, vemos aumentos de capacidad de sólo el 5 o 6 por ciento al año. La tecnología de las baterías no se ha duplicado prácticamente cada año.
Volvamos a la pregunta original al principio de este artículo: ¿cómo será el futuro de las baterías en 2030? ¿Cómo evolucionará la tecnología actual de las baterías para satisfacer estas crecientes demandas? ¿Existe realmente una tecnología "revolucionaria" o "rompedora"?
Por desgracia, hemos abusado durante demasiado tiempo del término "avance tecnológico". En cuanto a las mejoras, se trata de desarrollos naturales más que de avances mínimos. Reflexionemos sobre el término "tecnología punta" y lo que significa realmente para el futuro de las baterías. ¿Cuándo se puede considerar que una tecnología es un gran avance? La aparición de una tecnología revolucionaria suele suponer el cambio completo o el fin de la tecnología existente.
El automóvil destruyó por completo el mercado del caballo y la calesa y acabó sustituyéndolos por completo. El ordenador personal sólo tardó unos pocos años en sustituir casi por completo a la máquina de escribir. El teléfono sustituyó al telégrafo, y el teléfono portátil ha reemplazado prácticamente al teléfono fijo en pocos años. Así pues, cuando la tecnología sustituye y supera a la tecnología que la precedió, eso define un avance tecnológico.
Desde este punto de vista, ¿son las baterías de iones de litio una tecnología revolucionaria? En realidad no, no sustituye ni a las baterías de plomo-ácido ni a los motores de combustión interna (al menos no en el momento de escribir estas líneas). Pero, ¿es una tecnología complementaria? Por supuesto que sí, porque ofrece una mejora significativa con respecto a los esquemas híbridos actuales.
Las baterías de iones de litio tienen dos propiedades que podrían convertirlas en una tecnología realmente revolucionaria: la densidad de energía y la densidad de potencia. La tecnología actual de las baterías de iones de litio sólo proporciona una décima parte de la energía de la gasolina o el queroseno, lo que significa que, con la química actual de las baterías de iones de litio, la energía de las baterías por sí sola no puede alcanzar la autonomía de un vehículo impulsado por petróleo, ¿podría cambiar eso?
El problema de la densidad de potencia es similar al de la densidad de energía. Para sustituir a los motores de gasolina, el futuro de la tecnología de las baterías debe hacerse más pequeño y, al mismo tiempo, aumentar la potencia y el poder de la batería al mismo nivel que los vehículos de combustible líquido.
Al mismo tiempo, hay que tener en cuenta otro problema: el coste. Aunque alguien diseñara una tecnología de baterías que pudiera proporcionar la misma cantidad de energía que un vehículo de gasolina, no sería una solución viable de futuro de baterías que ganara el favor del mercado de masas si los costes de las baterías no bajan a medida que aumenta la energía. En la industria, es probable que veamos una optimización de los costes debido a cierto grado de estandarización y al aumento de la producción. Creemos que cierto grado de normalización aportará sin duda beneficios a la estructura de costes. Pero la norma también debe ser lo suficientemente flexible como para permitir que la tecnología mejore y evolucione con ella.
Desde el punto de vista de la fabricación de automóviles, una vez que una tecnología se introduce en un vehículo, dura entre cinco y diez años, que es la vida útil aproximada de un sistema estandarizado de un vehículo. ¿Qué significa esto? Significa que los coches eléctricos que se comercializan hoy en día utilizan baterías fabricadas con tecnología de hace tres o cinco años.
El sector de las fuentes de alimentación portátiles también contribuirá a impulsar la innovación tecnológica, ya que los dispositivos electrónicos personales son cada vez más pequeños, delgados e incluso portátiles, por lo que las fuentes de alimentación portátiles son las primeras en adoptar algunas de las tecnologías avanzadas de baterías que avanzarán junto con las fuentes de alimentación portátiles.
Tendencia de desarrollo de la tecnología de las pilas en el futuro
¿Qué cambios en la tecnología de las baterías harían de las baterías de iones de litio un verdadero avance? Sin duda, los sistemas de baterías seguirán avanzando, pero ¿se convertirán en un verdadero avance? Eso es difícil de responder. El litio ya es el metal más ligero de la tabla periódica, así que no hay muchas opciones para seguir investigando más allá de las técnicas basadas en el litio. Por tanto, es posible que el futuro de las baterías no venga de la sustitución del litio, sino de otros materiales.
Las baterías de iones de litio convencionales tienen básicamente tres partes mejorables: un cátodo, un ánodo y un electrolito. Mediante el estudio de estas tres partes, los investigadores pretenden mejorar la tensión disponible en circuito abierto y la densidad energética de las baterías de iones de litio, así como mejorar la seguridad y la vida útil de las baterías.
Empecemos por el ánodo. En los últimos años se ha prestado mucha atención a los materiales de los ánodos de silicio y estaño por su alta capacidad específica y su promesa de mejorar la densidad energética de las baterías. Aunque teóricamente se pueden conseguir aumentos de la densidad energética de hasta 300% o más utilizando negativos de silicio o estaño, los aumentos reales suelen ser sólo de un tercio de esa cifra, pero esto sigue impulsando la energía específica de las baterías de iones de litio hasta niveles competitivos con los combustibles líquidos.
Sin embargo, ambos materiales adolecen del problema de la corta duración del ciclo debido a la gran tasa de expansión del volumen de la lámina de electrodos en el ciclo de carga-descarga. Pero eso no significa que debamos renunciar a ellos. Se están realizando esfuerzos para resolver el problema, como el uso de tecnología de nanomateriales, grafito, grafeno u otros materiales compuestos o recubiertos con elementos de silicio o estaño, pueden amortiguar significativamente la expansión de volumen de los materiales.
Hemos observado que los aparatos electrónicos personales son cada vez más pequeños, finos y portátiles, y este tipo de tecnología avanzada es la que está empezando a aplicarse al sector de las fuentes de alimentación portátiles.
En comparación con el transporte y el almacenamiento de energía, estas aplicaciones requieren menos vida útil del sistema de baterías, lo que supone una buena oportunidad para el desarrollo y las pruebas de estas soluciones de baterías. Creo que a medida que estas nuevas tecnologías de ánodos sigan desarrollándose, acabarán sustituyendo parcialmente a los actuales materiales de ánodos basados en grafeno.
Los materiales de los cátodos también están experimentando mejoras. Por ejemplo, se combinan o mezclan distintas sustancias químicas para aprovechar las ventajas respectivas de los distintos materiales. Pero, con el nivel actual de investigación, hay pocas posibilidades de que se produzcan avances significativos en el futuro de las baterías.
En el futuro de las baterías también se verán cambios graduales en el electrolito y el diafragma. El electrolito es fundamental para mejorar la tensión de circuito abierto de las baterías de iones de litio. En la actualidad, se han hecho muchos intentos con aditivos para electrolitos, y se ha informado de un gran número de estudios sobre nuevos electrolitos, que pueden ser más seguros que la tecnología actual de aditivos. Los diafragmas también están recibiendo atención, pero casi toda se centra en mejorar la seguridad de las baterías.
Muchos empresas de baterías de ión litio están empezando a utilizar diafragmas recubiertos de cerámica porque se ha demostrado que son más permeables al electrolito que los diafragmas convencionales de POLIACRILATO-polietileno y que funcionan de forma constante y eficaz a temperaturas más elevadas.
¿Podríamos ver otro tipo de mejoras tecnológicas que supusieran un desarrollo verdaderamente transformador para el futuro de las pilas y baterías de iones de litio? Quizá una de las nuevas tecnologías más llamativas sean las baterías de estado sólido. Las baterías de estado sólido no utilizan electrolitos líquidos, y una de sus ventajas es su alto coeficiente energético.
En comparación con las baterías tradicionales de iones de litio, las de estado sólido pueden reducir la cantidad de fluidos recogidos y no contienen membranas. Además, se espera que las baterías de estado sólido sean más seguras porque no contienen electrolitos líquidos inflamables y con fugas. Sin embargo, debido a que la investigación y el desarrollo de la batería de estado sólido se encuentra en su fase inicial, hasta ahora la aplicación de la batería de iones de litio de estado sólido es sobre todo de magnitud miliamperio-hora. Si estas pilas se pueden ampliar con éxito, podrían llegar a ser competitivas para aplicaciones a mayor escala.
La batería de litio-aire también es un nuevo sistema de baterías en fase de investigación. Las baterías de litio-aire utilizan un ánodo metálico de litio, conectado a una capa de electrolito sólido que se "acopla electromecánicamente" al oxígeno del aire. Puede proporcionar una densidad de energía muy alta, curvas de descarga muy planas, un uso prácticamente ilimitado mientras no haya exposición al agua y al dióxido de carbono del aire, y se espera que tenga toda una serie de ventajas, entre ellas el bajo coste y el respeto al medio ambiente. Sin embargo, las baterías de litio-aire también se enfrentan a serios retos, el mayor de los cuales es su limitada capacidad de producción de energía.
En las dos últimas décadas, aproximadamente, las pilas de combustible han avanzado mucho y han recibido mucha atención. Ya existen en el mercado micropilas de combustible, pilas de combustible para automóviles y pilas de combustible de gran tamaño. Las pilas de combustible, que son esencialmente generadores, se solapan con las baterías de iones de litio en muchas aplicaciones. Si se resuelven la infraestructura y el coste de alimentación del combustible, las pilas de combustible podrían sustituir parte del mercado de las baterías de iones de litio.
Otra tecnología de almacenamiento de energía en auge son los condensadores, incluidos los de doble capa y los supercondensadores. Históricamente, estas tecnologías sólo se han considerado adecuadas para necesidades energéticas explosivas, extremadamente cortas y de alta potencia. La investigación actual se dirige a aumentar la densidad energética de los condensadores, haciéndolos así más competitivos frente a las baterías convencionales. Además, como la fabricación de condensadores es muy similar a la de baterías de iones de litio, se espera que los fabricantes de baterías añadan la tecnología de condensadores a sus productos de baterías.
Conclusión
La tecnología de las baterías de iones de litio tiene un gran potencial de mejora y de perfeccionamiento del rendimiento actual de las baterías. Los costes de las baterías seguirán bajando a medida que aumente la demanda, y las mejoras tecnológicas de su rendimiento antes mencionadas contribuirán a reducirlos. Si la tecnología de las baterías va bien, la próxima generación de baterías estará pronto disponible. Sin embargo, los autores creen que será difícil alcanzar el objetivo de coste de $100 - $150 /kWh fijado por organizaciones como el Departamento de Energía de EE.UU. y la Advanced Battery Alliance.
En la actualidad, el Batería de iones de litio 18650 se está produciendo en serie a un ritmo de casi 700 millones de celdas al año, y su precio ha tocado fondo en la horquilla de $170 - $220 /kWh. Entonces, ¿cómo puede mejorarse la tecnología para que la nueva batería de gran tamaño sea lo bastante asequible como para cumplir los requisitos del DOE? Dado que el volumen de la batería no es el mismo que el volumen del material activo real de la batería, es importante transformar la tecnología de la batería para abaratar el coste.
El crecimiento de las megaciudades impulsará tecnologías más limpias para la producción y el almacenamiento de energía. Es probable que los sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías se conviertan en una parte importante del suministro ininterrumpido de energía a estas ciudades. Y los sistemas de transporte se verán obligados a adoptar la electrificación para reducir su impacto en el aire urbano.
