Ya sea en una computadora port\u00e1til o en un tel\u00e9fono inteligente, hay muchas posibilidades de que todos los d\u00edas est\u00e9 utilizando varias bater\u00edas de iones de litio. Desde que llegaron al mercado en la d\u00e9cada de 1990, estas bater\u00edas recargables han contribuido a que nuestras computadoras y dispositivos sean port\u00e1tiles y, cada vez m\u00e1s, nuestros veh\u00edculos tambi\u00e9n lo sean.<\/p>\n
Pero las bater\u00edas de iones de litio no carecen de defectos. El suministro mundial de litio es limitado<\/a>, y las empresas y los consumidores demandan constantemente bater\u00edas m\u00e1s seguras, duraderas y con mayor energ\u00eda. Mientras tanto, los nuevos usos de las bater\u00edas est\u00e1n emergiendo r\u00e1pidamente, incluidos los veh\u00edculos el\u00e9ctricos y el almacenamiento de la red, generando el aumento de la demanda bater\u00edas \u00f3ptimas.<\/p>\n Para satisfacer estas necesidades, se ha puesto en marcha una carrera por desarrollar una nueva generaci\u00f3n de bater\u00edas, aunque todav\u00eda se desconoce c\u00f3mo ser\u00e1n y c\u00f3mo mejorar\u00e1n las actuales.<\/p>\n Energ\u00eda en movimiento Generalmente, los c\u00e1todos est\u00e1n hechos a partir de un \u00f3xido de metal de litio, por lo que las bater\u00edas bajo este tipo de c\u00e1todo se denominan bater\u00edas de iones de litio. Este tipo de bater\u00eda es la m\u00e1s popular, ya que logran contener mucha energ\u00eda y de manera m\u00e1s eficiente en un espacio peque\u00f1o como su tel\u00e9fono m\u00f3vil. Cuando se trata de cargar y descargar, el litio puede triplicar la densidad de energ\u00eda que la que otorgan las bater\u00edas recargables convencionales.<\/p>\n La mayor\u00eda de las bater\u00edas de iones de litio est\u00e1n compuestas por un \u00e1nodo de grafito y un electrolito org\u00e1nico l\u00edquido. Dentro de la bater\u00eda, la principal barrera contra el cortocircuito es un deslizamiento delgado y poroso de polipropileno (un tipo de pl\u00e1stico) que impide que el c\u00e1todo y el \u00e1nodo se toquen entre s\u00ed. Si el separador se rompe o se erosiona, los electrodos pueden entrar en contacto y la bater\u00eda se calentar\u00e1 extremadamente r\u00e1pido. Las bater\u00edas se llenan con un electrolito inflamable, que puede arder cuando se calienta, algo que puede desencadenarse f\u00e1cilmente por un cortocircuito. Y para colmo, los electrolitos l\u00edquidos tambi\u00e9n pueden tener fugas.<\/p>\n Para superar estos problemas, los investigadores est\u00e1n analizando alternativas de estado s\u00f3lido. El electrolito limita cu\u00e1ntas veces se puede cargar y descargar la bater\u00eda, afirma Goodenough, junto con la rapidez con la cual se puede recargar la bater\u00eda y la cantidad de energ\u00eda que puede almacenar.<\/p>\n La nueva generaci\u00f3n de bater\u00edas ser\u00e1 de iones de litio, pero utilizar\u00e1 diferentes electrolitos. Por ejemplo, pueden tener un electrolito de estado s\u00f3lido en lugar de l\u00edquido.<\/p>\n Los requisitos establecidos sobre un electrolito son altos. Debe conducir electricidad, resistir altos voltajes y permanecer estable electroqu\u00edmica y t\u00e9rmicamente durante un largo per\u00edodo de tiempo. Esta es la raz\u00f3n por la cual desarrollar una alternativa en estado s\u00f3lido es tan desafiante.<\/p>\n El a\u00f1o pasado, los investigadores de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnolog\u00eda de Materiales desarrollaron un electrolito en estado s\u00f3lido<\/a> que compite en t\u00e9rminos de eficiencia con los electrolitos l\u00edquidos habituales. Tiene una conductividad comparable a un electrolito l\u00edquido a temperatura ambiente, y es estable a temperaturas de hasta 150 grados Celsius. Por el contrario, los electrolitos l\u00edquidos presentan un riesgo de seguridad ante temperaturas tan altas.<\/p>\n En 2016, los investigadores de Toyota publicaron un art\u00edculo<\/a> sobre una bater\u00eda de iones de litio de estado s\u00f3lido que puede cargarse completamente en tan solo siete minutos.<\/p>\n Las bater\u00edas de litio y azufre, que se basan en una qu\u00edmica completamente diferente, representan otro tipo de bater\u00eda con un futuro prometedor. Te\u00f3ricamente, pueden almacenar una gran carga y usar azufre, el cual es abundante.<\/p>\n Los costos de la bater\u00eda han disminuido significativamente en los \u00faltimos a\u00f1os debido a que la demanda ha aumentado y han surgido m\u00e1s usos, como en los veh\u00edculos el\u00e9ctricos y el almacenamiento en la red. Pero para que los veh\u00edculos el\u00e9ctricos sean asequibles y pr\u00e1cticos para conducir largas distancias, las bater\u00edas deben ser a\u00fan m\u00e1s baratas de producir y poseer un mayor ciclo de vida.<\/p>\n En 2014, Johnson Matthey, una empresa brit\u00e1nica especializada en tecnolog\u00edas sostenibles adquiri\u00f3 una instalaci\u00f3n de investigaci\u00f3n de bater\u00edas en Changzhou, al sur de China, para mejorar la eficiencia de la bater\u00eda en los autom\u00f3viles. Han establecido que la vida \u00fatil de las bater\u00edas para autom\u00f3viles aut\u00f3nomos deber\u00e1 coincidir con la del veh\u00edculo, posiblemente entre los 10 a los 15 a\u00f1os. Esto significa que los clientes no se ver\u00e1n frustrados por la compra de un autom\u00f3vil el\u00e9ctrico debido a la limitada vida \u00fatil de la bater\u00eda. Por el momento, la mayor\u00eda de los fabricantes ofrecen garant\u00edas de que las bater\u00edas durar\u00e1n alrededor de ocho a\u00f1os o 100,000 millas.<\/p>\n Uno de los mayores inconvenientes de las bater\u00edas de iones de litio es que su capacidad se desvanece con el tiempo, asegura Lei Cheng, cient\u00edfico del Centro Conjunto para la Divisi\u00f3n de Investigaci\u00f3n de Almacenamiento de Energ\u00eda y Ciencia de Materiales en el Laboratorio Nacional de Argonne en los Estados Unidos. “Esto es causado por reacciones qu\u00edmicas indeseadas que ocurren durante la carga \/ descarga, como tambi\u00e9n cuando la bater\u00eda est\u00e1 en reposo”. El problema es a\u00fan peor cuando la temperatura es alta.<\/p>\n Adem\u00e1s, la bater\u00eda de iones de litio sigue siendo bastante costosa ya que usa metales como el cobalto y el litio, y existe una falta de m\u00e9todos econ\u00f3micos para su reciclaje<\/a>. Este es otro impulsor para encontrar qu\u00edmicos alternativos.<\/p>\n La mejor opci\u00f3n para una bater\u00eda a gran escala es reemplazar un electrolito l\u00edquido con un electrolito en estado s\u00f3lido sin una estructura cristalina ordenada. “Este electrolito est\u00e1 disponible, pero el desarrollo de la bater\u00eda todav\u00eda espera junto con los acuerdos de licencia”, dice Goodenough.<\/p>\n Junto a los autos el\u00e9ctricos, el almacenamiento en red es otra \u00e1rea en la cual las bater\u00edas a gran escala desempe\u00f1ar\u00e1n un papel cada vez m\u00e1s importante. La cantidad de energ\u00eda renovable de la energ\u00eda solar y e\u00f3lica en un momento dado depende del clima, lo que la hace intermitente. Las bater\u00edas pueden ayudar a estabilizar las redes mediante el almacenamiento de energ\u00eda de manera eficiente.<\/p>\n “Las bater\u00edas de iones de sodio podr\u00edan ser una alternativa econ\u00f3mica a la de los iones de litio en el mercado de almacenamiento de la red\u201d, afirma Cheng. \u201cLas bater\u00edas de iones de sodio funcionan de manera similar a las de iones de litio, pero en su lugar usan sodio, que es m\u00e1s f\u00e1cil de conseguir\u201d.<\/p>\n La Dra. Emma Kendrick, qu\u00edmica de materiales en la Universidad de Warwick en el Reino Unido, se encuentra investigando sobre la bater\u00eda de iones de sodio. “Esta es una alternativa de bajo costo a las bater\u00edas de iones de litio”, asegura. “Todav\u00eda est\u00e1 en una etapa prematura, pero hay oportunidades para realizar investigaciones sobre la fabricaci\u00f3n y la durabilidad de esta tecnolog\u00eda”.<\/p>\n “Las bater\u00edas de flujo tambi\u00e9n son opciones atractivas, ya que pueden ampliarse f\u00e1cilmente para proporcionar una gran capacidad”, afirma Cheng, y agrega: “Contienen dos compuestos qu\u00edmicos separados por una membrana. Los compuestos pueden fluir a trav\u00e9s de la membrana, creando energ\u00eda qu\u00edmica, pero tambi\u00e9n pueden volver al punto hacia donde comenzaron, lo que genera la recarga de la bater\u00eda”.<\/p>\n Hay muchas otras opciones. En febrero de este a\u00f1o, cient\u00edficos de la Universidad de California en Irvine crearon bater\u00edas nanocables de oro que pueden soportar la mayor recarga que nunca antes haya existido, cientos de veces en su vida. El equipo espera que esto alg\u00fan d\u00eda conduzca a bater\u00edas que puedan durar indefinidamente.<\/p>\n El grafeno tambi\u00e9n puede ser un componente para la bater\u00eda del futuro. Una compa\u00f1\u00eda espa\u00f1ola llamada Grabat<\/a> dice que sus bater\u00edas de grafeno pueden proporcionar energ\u00eda para que un veh\u00edculo el\u00e9ctrico viaje 500 millas con una sola carga. A modo de comparaci\u00f3n, el Modelo 3 de Tesla puede viajar 215 millas con una carga.<\/p>\n Aunque nadie puede predecir exactamente c\u00f3mo ser\u00e1 la pr\u00f3xima generaci\u00f3n de bater\u00edas, hay una gran cantidad de trabajo para resolver el problema.<\/p>\n Las diversas opciones para bater\u00edas nuevas, desde bater\u00edas de flujo hasta iones de sodio, se encuentran en etapas de desarrollo, pero el ion de litio seguir\u00e1 existiendo por un tiempo. “En los pr\u00f3ximos cinco a\u00f1os, las bater\u00edas de iones de litio seguir\u00e1n dominando”, dice el Dr. Tao Liu, investigador asociado de la Universidad de Cambridge.<\/p>\n Mientras tanto, los cient\u00edficos est\u00e1n tratando de desarrollar mejores formas en el reciclaje bater\u00edas de iones de litio. Esto reducir\u00e1 el impacto ambiental de la extracci\u00f3n de m\u00e1s litio<\/a>, otro proceso costoso.<\/p>\n
\nUna bater\u00eda, en sus t\u00e9rminos m\u00e1s simples, se compone de un c\u00e1todo, un \u00e1nodo y un electrolito. Los electrones cargados negativamente fluyen a trav\u00e9s del electrolito desde el \u00e1nodo con carga negativa hasta el c\u00e1todo con carga positiva. Este flujo de electrones es una corriente.<\/p>\nMejores electrolitos<\/h2>\n
\n“Las limitaciones actuales est\u00e1n asociadas con el electrolito l\u00edquido”, dice John B. Goodenough, profesor de Ingenier\u00eda Mec\u00e1nica y Ciencia de los Materiales en la Universidad de Texas en Austin.<\/p>\nM\u00e1s barato y m\u00e1s duradero<\/h2>\n
Red de almacenamiento<\/h2>\n
Las bater\u00edas de flujo son otra alternativa<\/h2>\n