La carrera por destronar a las baterías de ion-litio se pone al rojo vivo

Uno de sus componentes más críticos es la batería, que determina aspectos como la autonomía o la entrega de energía al motor. Las que se usan en la actualidad, las de ion-litio, han alcanzado prestaciones impensables hace una década y aún pueden progresar. «El aumento de la autonomía, la opción de una carga rápida y el coste de adquisición, todavía superior al de los vehículos de combustión, son los principales desafíos que persiguen los fabricantes de automoción porque los demandan los propios clientes», señala Óscar Miguel , director adjunto de Cidetec Energy Storage, organización de investigación donostiarra. Estas baterías se encuentran en constante evolución aunque, según el experto, la visión común en el sector es que tienen un techo de máxima densidad de energía que tal vez no cumpla las expectativas de los usuarios en cuanto a autonomía . «Hay que buscar algo que rompa ese esquema», añade.

De entre las distintas opciones, son las baterías de electrolito sólido las que se perfilan como las más prometedoras. Frente a las de ion-litio, en las que este elemento químico solo está en forma de iones y el electrodo negativo (ánodo) se compone de carbonos como el grafito, utilizan litio metálico en el ánodo, lo que a su vez implica nuevos retos. «Por sí mismo el litio metálico tiene mucha más densidad de energía», explica Miguel. Para posibilitar su uso, se sustituye el electrolito líquido, propio de las baterías de ion-litio, por una lámina sólida que cumple la misma función pero que permite proteger más el litio que va en el ánodo . «Las baterías de electrolito sólido representan la manera más adecuada de utilizar litio metálico dentro de las baterías, lo que permite doblar o triplicar la autonomía del vehículo comparado con la tecnología de ion-litio», dice el experto.

Toyota quiere producir vehículos con esta tecnología, mientras que BMW y Ford han firmado una alianza con Solid Power, fabricante de este tipo de baterías, con la idea de que se integren en sus vehículos eléctricos en 2022. «Ni el año que viene ni dentro de tres se habrán sustituido las baterías de ion-litio por estas, pero se trabaja con tanta intensidad que los plazos que se daban hace tiempo se están superando . Veremos cómo se traducen las expectativas en realidad», concluye Miguel. La cautela predomina entre las fuentes consultadas . «Es una tecnología atractiva. Los vehículos tendrían mayor autonomía porque podría utilizar litio metálico en el ánodo, pero desarrollarla a nivel práctico e implementarla no es trivial y aún le falta recorrido», opina M. Rosa Palacín , del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB).

Otra de las alternativas que está sobre la mesa son las baterías de litio-azufre . «El azufre tiene la ventaja de que es muy barato y que la densidad de energía sería grande, pero a medida que la batería va funcionando se va disolviendo en el electrolito, lo cual genera pérdida de capacidad, aunque en los últimos años esta tecnología ha evolucionado bastante», asegura. También existen experimentos en torno a las baterías de litio-aire , si bien las perspectivas no son halagüeñas. En este caso el electrodo positivo podría ser el oxígeno del aire. «La gente se emocionó en los años 2008-2010 con que iba a ser el futuro, pero incluso a nivel de laboratorio tiene muchos problemas por resolver», advierte.

Las posibilidades no se agotan ahí, ya que son varios los materiales que se barajan para relevar al litio en las ‘pilas’ de los vehículos eléctricos. El calcio , más abundante y barato, es un ejemplo de ello. Científicos del ICMAB, en colaboración con la filial europea de Toyota, investigaron de 2015 a 2019 su viabilidad en las baterías. « Empezamos teniendo resultados positivos, pero es muy difícil pasar de prototipos de laboratorio », comenta Palacín, autora principal del estudio, que sí logró varias patentes. El ICMAB ha continuado con los trabajos en el marco de un proyecto europeo y realiza investigación fundamental, pero no tiene un producto comercializable y, en palabras de Palacín, está todavía lejos de conseguirlo: «Sería una opción a muy largo plazo».

Algo similar ocurre con el magnesio , objeto de múltiples investigaciones, como las llevadas a cabo por la Universidad de Córdoba y la de Xiamen, en China. En el último de sus trabajos, la batería tenía como ánodo el magnesio-metal y como cátodo, el fluorofosfato de vanadio y sodio. Alcanzó una densidad de energía de 200 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), la mitad de la que presentan las baterías de ion-litio, según detalla Gregorio Ortiz , coordinador de la investigación y profesor en la Universidad de Córdoba. «El magnesio es el octavo elemento más abundante en la corteza terrestre, lo cual a priori podría representar un bajo coste de producción y, además, tiene una mayor seguridad», subraya.

La fórmula ha sido probada de momento a escala de laboratorio . Ortiz duda de que a corto plazo estas baterías puedan competir con las de ion-litio. «Dan un alivio al mercado en el sentido de que se pueden utilizar para almacenar energía proveniente de placas fotovoltaicas o turbinas eólicas», aclara. ¿La razón? «En un vehículo eléctrico queremos una batería miniaturizada que ocupe poco espacio y que dé una energía superior a la que tenemos hoy. Con el magnesio va a ser difícil a corto plazo ». Los expertos coinciden en que en los próximos años el ion-litio seguirá marcando el camino en el campo de los coches eléctricos.

Laboratorios y empresas, eso sí, no cejan en su empeño de sondear más opciones. La tecnología de ion-sodio , por ejemplo, irrumpe con fuerza. «El sodio está a continuación del litio en la tabla periódica, por lo que desde el punto de vista químico, tecnológico y de rendimiento existe una similitud debido a la cual, además, es posible usar las mismas infraestructuras industriales», expone Montse Galcerán , responsable de la línea de investigación de Baterías de Sodio-ion de CIC energiGUNE, centro de investigación vasco.

Recuerda que en 2010 hubo una intensa actividad investigadora en torno a estas baterías como un sistema sostenible –a diferencia de las de ion-litio, evitan el cobalto–, amigable con el medio ambiente –usan materiales abundantes en la naturaleza– y de bajo coste. Sin embargo, presentan ciertos inconvenientes frente a las de ion-litio . «El sodio tiene un tamaño de radio mayor, por tanto, el mismo material análogo en litio o en sodio va a tener un 20% menos de capacidad, lo cual influye en el sistema final. Y el potencial redox es un poco más bajo (0,3 voltios)», apunta Galcerán. Esto se traduce en que en el mismo volumen, la densidad de energía que va a almacenar una batería de sodio será mucho menor que una de litio.

Su aplicación en el coche eléctrico es complicada. « Un nicho que podría cubrir es el almacenamiento estacionario , donde el volumen no es una restricción, sino que prevalece el almacenamiento de energía barato, seguro y de larga duración», afirma. Así aliviaría la presión sobre el litio. «No puede abarcar todas las aplicaciones. La previsión es que la demanda, en los sectores sobre todo de movilidad, supere a la oferta en 2022 », alerta. Se trata, en efecto, de un recurso muy escaso cuyo precio está en aumento. Esta semana se movía en el entorno de los 18.950 dólares por tonelada, según los registros de la Bolsa de Metales de Londres.

Desde BatteryPlat, Plataforma Tecnológica y de Innovación Española de Almacenamiento de Energía, recalcan que no hay un tipo de baterías que pueda cubrir de forma eficiente todas las aplicaciones ya que los requerimientos de tamaño, densidad de energía, ciclabilidad o coste varían sensiblemente de una aplicación a otra.

Aun así, se ha vuelto a hablar de las baterías de ion-sodio para vehículos eléctricos porque el gigante chino CATL, proveedor de empresas como Tesla o BMW, anunció en julio que en 2023 establecería la cadena de producción a gran escala . Se trataría de baterías híbridas –combinarían celdas de litio y sodio–. Las de primera generación tendrían una capacidad de 160 Wh/kg y alcanzarían cargas del 80% en quince minutos . «Los números son bastante retadores, aunque de momento es solo un anuncio a bombo y platillo», interpreta Galcerán.

La carrera por desbancar a las baterías de ion-litio está al rojo vivo. «Es difícil saber qué podemos esperar. Hay secretismo empresarial porque las posibilidades de beneficios son enormes y cada institución está desarrollando su propia línea , pero poco a poco iremos viendo baterías con mayor autonomía y menor tiempo de recarga», sostiene Xavier Giménez , profesor de Química Ambiental de la Universidad de Barcelona y divulgador científico.

A su juicio, los avances vendrán por dos vías: mejorar las prestaciones con un mismo concepto de batería, como sería el caso de todas las mencionadas anteriormente; u optar por un funcionamiento diferente, donde entra en juego el hidrógeno verde , el que se genera con electricidad obtenida de fuentes renovables.

«A primeros del siglo XXI se creía que la alternativa del coche eléctrico era el de hidrógeno, pero el elevado coste del despliegue de la infraestructura para distribuirlo a nivel mundial y la eficiencia de las baterías de ion-litio aparcaron la idea. Ahora resurge porque se ha descubierto que el hidrógeno puede distribuirse a través de la red de gasoductos que ya existe para el gas natural y el petróleo. Por ello, la UE ha vuelto a potenciar el programa de hidrógeno», informa Giménez.

Entre sus ventajas destaca una autonomía mayor , de miles de kilómetros, y un tiempo de recarga de pocos minutos . Por el lado de los inconvenientes, está el hecho de que haya que trabajar con hidrógeno presurizado. « El manejo es delicado y en las primeras versiones lo hará personal habilitado », indica. La tecnología, en cualquier caso, está madura. «Los coches con batería de pila de combustible de hidrógeno han sido probados desde hace tiempo con millones de kilómetros», cuenta Giménez. Desde el punto de vista comercial, cree que requerirá, como mínimo, quince años para competir de tú a tú con las baterías de ion-litio , es decir, para alcanzar unos costes adecuados por la economía de escala.

«Las baterías de ion-litio han reducido su precio en los últimos años hasta colocarse en el umbral de los 100€/kWh y se esperan reducciones aún mayores de coste que hacen complicado competir a otras tecnologías a día de hoy», comentan desde BatteryPlat. Las baterías de ion-litio no tienen rival en el ámbito de la movilidad eléctrica, pero empresas y grupos de investigación prosiguen su búsqueda para encontrar alternativas que igualen o superen sus prestaciones. No será de la noche a mañana, sino más bien una carrera de fondo en la que cada avance abrirá un horizonte de oportunidades.