El desafío de las superbaterías

Media hora de trayecto en coche desde la ciudad de Reno, en el estado norteamericano de Nevada, comienza a tomar forma el edificio que podría definir la próxima década de la tecnología. Es una estructura de metal de dos plantas levantada sobre el desierto que a día de hoy resulta fácil de confundir con el esqueleto de cualquier centro comercial de los suburbios estadounidenses. Pero las apariencias engañan. El próximo año, esta instalación, con un coste aproximado de 5.000 millones de dólares, se convertirá en la mayor fábrica de baterías del mundo. En 2020, cuando alcance su capacidad de producción máxima, será capaz de crear medio millón al año; suficientes para almacenar unos 35 gigavatios-hora de energía (un gigavatio equivale a mil millones de vatios).

Ese enorme poderío se reflejará en su nombre. Bautizada como Gigafactory 1, será la primera fábrica de baterías de litio de la compañía de coches eléctricos Tesla, que la construye junto con el gigante industrial japonés Panasonic para buscar una solución al mayor problema al que se enfrenta el mundo de la tecnología y que, por extensión, es también uno de los quebraderos de cabeza del sector del automóvil. Tras veinticinco años en el mercado, las baterías de iones de litio se han refinado y perfeccionado al máximo, pero ya no dan más de sí.

Sin una alternativa comercialmente viable, la única salida que le queda a Tesla es aumentar la producción de baterías para satisfacer la demanda de una creciente flota de vehículos eléctricos. Esta será también la clave para reducir el precio de estos dispositivos. Gigafactory 1 tendrá una capacidad de producción equivalente a la que hubo en todo el mundo en 2013, y no será la única fábrica de baterías de Tesla. Gracias a ellas, la compañía podrá poner en el mercado coches más económicos que los que ofrece ahora.

Más allá de los iones de litio

Quien vea en esta estrategia más un parche que una solución no anda desencaminado. La carrera por buscar un sustituto capaz de almacenar más energía y hacerlo de forma más segura que las actuales baterías de iones de litio se ha intensificado en los últimos años, pero de momento no tiene un ganador claro. “Si lo que buscamos es una nueva tecnología capaz de cambiar el mundo, de dar un salto significativo en capacidad, lo cierto es que aún no lo hemos conseguido. Casi todo lo que hemos mejorado en la autonomía de dispositivos electrónicos se lo debemos a una mayor eficiencia en los procesadores y las pantallas”, asegura Kazuo Hirai, presidente de Sony, la empresa pionera en la venta de baterías de iones de litio.

En esencia, una batería es un dispositivo formado por electrodos positivo y negativo y un electrolito líquido que almacena energía eléctrica mediante una reacción química. La idea de esta tecnología fue presentada a la Royal Society de Londres en marzo de 1800 por el físico italiano Alessandro Volta, pero solo como un dispositivo teórico. Tuvieron que pasar sesenta años hasta que el científico francés Gaston Planté construyera la primera batería, que aprovechaba la reacción del ácido sulfúrico con el plomo. Esta interacción resulta tan conveniente y sencilla de controlar que continúa siendo la base de las baterías que utilizamos en la mayoría de los coches, las encargadas de alimentar el arranque del motor, la radio o las luces.

El estudio de las diferentes aplicaciones de la corriente eléctrica en la segunda mitad del siglo XIX y principios del XX propició el desarrollo de diseños novedosos de baterías, con mayor capacidad de almacenamiento o propiedades más deseables. En 1899, el científico sueco Waldemar Jungner creó la primera batería de níquel y cadmio, por ejemplo; y en 1955 Lewis Urry dio con la fórmula de las actuales pilas alcalinas.

Debido a su baja densidad y su facilidad para ceder electrones, el litio se convirtió pronto en uno de los candidatos más prometedores para la fabricación de estos instrumentos. Los primeros desarrollos experimentales se produjeron en la segunda década del siglo XX, pero las dos grandes guerras y el triunfo del motor de combustión interna desviaron la atención de la comunidad científica.

La crisis energética de los años 70 reavivó el interés por este material: a inicios de esa década, Michael Stanley Whittingham, investigador de la compañía petrolera Exxon, creó la primera batería de iones de litio. La pila usaba como uno de los electrodos sulfato de titanio, material carísimo cuya reacción, además, era muy inestable, lo que hizo que se descartara su aplicación comercial.

El milagro que hizo posible el desarrollo comercial de las baterías de litio se produjo gracias al físico norteamericano John B. Goodenough, que a sus 92 años sigue ejerciendo de profesor en la Universidad de Texas. “No quiero dejar este mundo sin haber diseñado una mejor batería, y a mi edad todavía me quedan ganas”, aseguraba en una entrevista reciente.

Un cátodo genial

Goodenough desarrolló un cátodo –el electrodo positivo– basado en un compuesto de óxido de cobalto y litio que hizo posible fabricar por primera vez baterías estables y seguras. Desde entonces, y salvo pequeños ajustes, este cátodo ha sido utilizado en la práctica totalidad de los dispositivos: se encuentra en nuestros móviles, nuestros portátiles, nuestras cámaras o nuestros reproductores portátiles de música.

Con un cátodo estable, el reto de la comunidad científica pasó a ser la formulación del ánodo, el electrodo negativo. El científico marroquí Rachid Yazami descubrió en la década de los 80 que el grafito resultaba especialmente efectivo, y con estos dos materiales la empresa japonesa Asahi Chemical creó la primera batería comercial, que Sony comenzó a distribuir en 1991.

Aunque nos desesperemos por la continua necesidad de cargar nuestros teléfonos y ordenadores lo cierto es que la tecnología de las baterías avanza cada año. Por lo general, los fabricantes son capaces de arañar entre un 2 % y un 5 % más de carga para un mismo volumen y peso gracias a pequeños ajustes en la formulación o el diseño del cátodo, del ánodo o el uso de diferentes electrolitos.  Y también han conseguido que resulte posible recargarlas, al menos parcialmente, a mayor velocidad; un truco muy útil cuando nos quedamos sin energía en el teléfono móvil y solo podemos enchufarlo unos minutos en el bar o algún punto de carga.

Estos avances, sin embargo, no son significativos ni la revolución que todos deseamos. Permiten mantener una autonomía más o menos similar a la de las anteriores generaciones de productos, pero arrastran consigo algunos de los problemas que han dificultado el uso de estas pilas en las últimas tres décadas: las baterías de iones de litio se degradan con el tiempo. Tienen una vida limitada que se mide en ciclos de recarga y es la responsable de que a un teléfono con tres años de antigüedad le cueste un mundo almacenar energía para todo un día.

Hay otro problema: el electrolito que se usa en muchas de ellas es líquido y muy inflamable. Es el responsable de que periódicamente veamos vídeos en los que un portátil u otro aparato entran en combustión espontánea, en principio sin razón aparente. Un cortocircuito, un sobrecalentamiento o una pequeña ruptura en alguna de las membranas internas bastan para que salten las llamas. De ahí que las aerolíneas prohíban el transporte de estas baterías en bodega, donde un fuego accidental sería difícil de detectar a tiempo.

Y queda el mayor inconveniente de todos: la capacidad de almacenamiento. Una batería de iones de litio brinda unos 160 vatios-hora por cada kilogramo de peso. Las baterías más avanzadas del mercado superan los 250 vatios-hora por kilo, pero no son baratas. Si queremos eliminar la sensación de ansiedad al conducir un coche eléctrico, las baterías del futuro deberían ser capaces de almacenar mucha más energía en su interior, cerca de 350 vatios-hora por kilogramo, como mínimo. Si no, la única alternativa es poner más baterías y aumentar tanto el peso del vehículo como su coste o el tiempo de recarga.

Como punto de partida, el litio sigue siendo el material más interesante para conseguir este salto de calidad. Por eso, los esfuerzos de los laboratorios se centran en tres áreas: mejorar la tecnología del ánodo; hacer lo mismo con la del cátodo; y conseguir un electrolito más eficiente y a ser posible sólido, para aumentar así la seguridad y la capacidad de los dispositivos.

Para el ánodo, la mayor promesa es el uso de estructuras de silicio en lugar de grafito. El silicio absorbe hasta diez veces más iones de litio por gramo que el grafito durante el proceso de carga, pero el problema es que la mayor absorción implica también una expansión. Se hincha como si fuera una esponja hasta multiplicar por tres su tamaño, con desastrosas consecuencias para la estructura interna de la batería.

En la Universidad de Stanford, en California, están ensayando el uso de nanoestructuras de silicio capaces de expandirse de forma controlada que podrían ser una alternativa viable, pero para llegar a una fase comercial se requieren todavía años de investigación.

Otra alternativa es sustituir el grafito del ánodo por grafeno, ese material milagroso formado por carbono puro que está en boca de toda la comunidad científica. Un ánodo construido con varias capas de grafeno de un átomo de espesor absorbería una mayor cantidad de iones y permitiría crear baterías con más del doble de capacidad para el mismo peso. Este ánodo, sin embargo, heredaría algunas de las pegas que hoy tienen las baterías con ánodos de grafito. Durante el proceso de carga, el carbono no se comporta como un material ideal. Es habitual que los iones de litio no recubran por completo la superficie disponible, sobre todo cuando se intenta recargar a gran velocidad. En su lugar, tienden a ramificarse a partir de ciertos puntos y pueden crecer hasta tocar el cátodo, lo que arruina la batería. Para evitarlo se usan membranas porosas internas, pero estas ramificaciones pueden tapar algunos de los poros y acortar la vida del aparato.

El cátodo es el elemento en el que la innovación está cosechando mejores resultados. Mediante el uso de nanomateriales, varios laboratorios han conseguido hacerlo notablemente más eficiente al acortar la distancia que deben recorrer los iones, lo que acelera el ritmo de la carga.

Pero el mayor cambio para las baterías del futuro lo representaría la creación de un nuevo electrolito. El paso de uno líquido a uno sólido las haría más seguras y permitiría emplear un ánodo de metal de litio u otros compuestos metálicos. Con ellos, su capacidad aumentaría de forma significativa y podrían recargarse en bastante menos tiempo. Algunas compañías han comenzado a fabricar estas baterías de estado sólido, e incluso se están llevando a cabo pequeños ensayos comerciales, por ejemplo, en el sector automovilístico.

BlueIndy, una empresa de alquiler de vehículos para las calles de París, integra en sus coches estas baterías de estado sólido, que aún son muy caras de fabricar y presentan inconvenientes. De momento, ningún material sólido ha demostrado la misma efectividad que un electrolito líquido para conducir los iones, y algunos sólidos fallan con los cambios en las temperaturas.

En busca de la sostenibilidad

Una de las vías de investigación más prometedoras se centra en los materiales cerámicos. La Universidad de Maryland ha creado uno de alta conductividad que posibilitaría baterías más ligeras y eficientes. Eric Wachsman, profesor de Ingeniería en ese centro, afirma que “estas baterías son más seguras y alcanzarán los requisitos que demanda la transición de los vehículos de combustión interna a los eléctricos, o los de ampliar la autonomía de nuestros dispositivos”. El proyecto ha convencido entre otros a la NASA, que ve en este tipo de aparatos la solución para el almacenamiento de energía en sus futuras misiones espaciales.

Mejores baterías, con mayor capacidad y menores tiempos de carga, revolucionarán el transporte y la electrónica de consumo, pero su mayor impacto podría darse en el terreno de las energías renovables, cada vez más presentes en todo el planeta gracias al constante abaratamiento de las células fotovoltaicas y los generadores eólicos.

En España, las renovables podrían cubrir más de un tercio de la demanda eléctrica anual. Además, hay periodos del día y ciertas estaciones del año en los que serían capaces de abastecer a toda la población. El problema es que los generadores eólicos y las placas solares producen electricidad de forma intermitente y contribuyen a la red eléctrica en periodos de baja demanda.

Solemos consumir más energía por las noches, cuando necesitamos luz artificial y volvemos a casa del trabajo. A esas horas, nos vemos obligados a usar una red que aún se alimenta de centrales eléctricas que funcionan mediante hidrocarburos o energía nuclear. Baterías capaces de cargarse y descargarse a gran velocidad y con alta densidad de energía podrían suplir las deficiencias del sistema y almacenar electricidad durante el día para consumirla de noche.