Baterías de última generación con investigación suiza
Las baterías están en todas partes –en nuestros teléfonos, ordenadores portátiles y coches–, aunque hasta ahora a los científicos se les han resistido las tecnologías ideales de bajo coste y alto rendimiento. Algunas iniciativas europeas y suizas tratan de satisfacer la demanda de innovación en materia de baterías y almacenamiento de energía. Para la próxima década se esperan resultados.
“Las baterías podrían permitir que, tal y como se exige, las emisiones de carbono se reduzcan en un 30% en los sectores del transporte y la energía, se permita el acceso a la electricidad a 600 millones de personas que ahora no lo tienen, y se creen en todo el mundo 10 millones de puestos de trabajo seguros y sostenibles”, así reza un informe reciente del Foro Económico Mundial (WEF, por sus siglas en inglés) con sede en Ginebra.
Asia –con más del 90% de la producción en China, Corea y Japón– domina el mercado de baterías. Pero Europa trata de recuperar el terreno. Impulsada por su industria automovilística, la Unión Europea quiere establecer en Europa la producción de la tecnología de baterías y así evitar depender tecnológicamente de otras partes del mundo.
Gráfico: Demanda actual y futura de baterías a través de aplicaciones clave, en un escenario de desarrollo sostenible:
“De momento adoptamos rápido las buenas ideas, pero el plan de la UE es tener una buena base en investigación e innovación en materia de baterías”, explica Corsin Battaglia, experto del Instituto Federal Suizo de Ciencia y Tecnología de los Materiales (Empa). A pesar de no ser miembro de la UE, Suiza participa activamente en proyectos europeos de investigación sobre baterías.
Para aumentar la capacidad de producción y de I+D, hace cuatro años Bruselas puso en marcha la Alianza Europea de las Baterías. Según la ONG Transport & Environment, como parte de este desarrollo, se prevé crear en Europa casi 40 megaplantas de baterías, las llamadas gigafábricas. Si todas se ponen en marcha –para el año 2025– Europa podría hacerse con una cuota del 20% del mercado mundial de baterías, que tiene un valor anual de 250 000 millones de euros (270 000 millones de francos).
De momento no está previsto instalar ninguna de estas gigafábricas en Suiza, pero, a través de sus institutos de investigación y empresas especializadas, el país alpino está vinculado de una manera muy estrecha con el desarrollo de la industria.
“Ya se trate de materiales, integración de células y paquetes, electrónica, sistemas de gestión de baterías, reciclaje y movilidad o almacenamiento estacionario, en Suiza hay muchas empresas que operan en el campo de las baterías o que incluso son líderes mundiales”, afirma Battaglia.
Baterías autorregenerables
Durante años las baterías de iones de litio han constituido la tecnología de almacenamiento dominante, y se espera que en la próxima década la demanda se multiplique por diez. En los últimos 30 años su precio ha bajado casi un 100%, pero la ciencia se ha mantenido prácticamente invariable. Para satisfacer la demanda futura se necesitarán tecnologías de baterías alternativas, como componentes más duraderos que almacenen más energía.
Y aquí es donde entra en juego la iniciativa de investigación europea Battery 2030+, dotada con 40 millones de euros. El programa puesto en marcha el pasado año comprende siete grandes proyectos de investigación apoyados por nueve países europeos, entre ellos Suiza. Uno de esos proyectos es HIDDEN, que pretende mejorar en un 50% la vida útil media y la densidad energética de la batería de iones de litio.
El crecimiento de diminutas formaciones en forma de fibra en el interior de las baterías (conocidas como dendritas) es un verdadero problema para la longevidad de las baterías de metal de litio, explica Axel Fuerst, responsable del proyecto HIDDEN en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Berna.
“El metal de litio tiene una densidad energética muy alta y puede, por tanto, utilizarse para fabricar baterías más ligeras y eficientes. Pero las dendritas crecen muy rápido y la vida útil de estas pilas es corta”, señala Fuerst.
Para resolver el problema, el equipo trabaja en un proceso de autorrecuperación en el interior de la batería. Esperan que los electrolitos de cristal líquido iónico termotrópico especialmente desarrollados junto con aditivos y un separador piezoeléctrico que crea un campo eléctrico puedan romper y suprimir el crecimiento de las dendritas. El equipo está construyendo un primer modelo conceptual que será validado en 2023 y ampliado posteriormente.
Menos metales preciosos
Mientras tanto, Battaglia y su equipo del Empa coordinan SENSE, un proyecto de investigación europeo sobre baterías de iones de litio que pretende producir una batería de iones de litio de “generación 3b” con un ánodo de compuesto de silicio-grafito y un cátodo de níquel-manganeso-cobalto (NMC, por sus siglas en inglés) rico en níquel. El objetivo es mejorar la densidad energética, lo cual permitiría ampliar la autonomía de los vehículos, potenciar la carga rápida y utilizar menos metales preciosos.
“Queremos reducir la cantidad de cobalto y aumentar la de níquel”, dice el investigador del Empa.
En una batería, el cobalto es uno de los materiales más caros. Los productores intentan reducir su uso, ya que conseguirlo puede ser todo un reto. En torno al 70% del cobalto del mundo procede de la República Democrática del Congo, donde las condiciones de los mineros son difíciles, y la mayoría de las operaciones de refinado de cobalto se realizan en China.
Crear la batería ideal es complicado y a menudo implica que haya que aceptar algo malo para tener algo bueno, explica Battaglia. El níquel aumenta la densidad energética de la batería y es más barato, pero hace que la batería se degrade antes, aclara.
El equipo también trabaja en el desarrollo de nuevos sensores de carga rápida para que las baterías puedan cargarse con mayor velocidad y eficacia.
“Queremos conocer la temperatura local y el potencial dentro de la batería y medir dentro de la célula [más rápidamente] para poder impulsar la carga rápida”, cuenta Battaglia.
Baterías de estado sólido
En el mundo de las baterías hay mucha expectación por las baterías de estado sólido, que utilizan electrolitos sólidos para sustituir la solución líquida inflamable de las baterías de iones de litio. Se dice que son más eficaces, más seguras y que utilizan menos materias primas. Los prototipos sugieren que podrían almacenar hasta un 80% más de energía que las de iones de litio del mismo peso y volumen.
Battaglia afirma que estas tecnologías parecen ofrecer muchos beneficios, pero que, de momento, siguen siendo “potenciales” ventajas que se limitan al laboratorio. Y añade que es difícil desarrollar una batería con gran capacidad de almacenamiento que también tenga una larga vida útil.
“Hacer una batería con el doble de densidad energética no es un problema, aunque quizá solo pueda cargarla 20 veces y luego se muera”, explica el investigador del Empa. Mientras que la densidad energética de la batería puede duplicarse sustituyendo el grafito por el metal de litio, cargar una batería con mucho litio demasiado rápido genera dendritas que reducen su vida útil.
Las baterías de litio de estado sólido, si se generalizan, podrían resolver los problemas de densidad energética y longevidad. El Empa trabaja con una docena de socios europeos en el proyecto SOLIDIFY, que pretende desarrollar procesos de fabricación para las denominadas baterías de “generación 4b”, baterías de estado sólido que podrían estar listas en el mercado en diez años.
Gráfico: Las baterías ayudan a garantizar que las emisiones de gases de efecto invernaderosegún las previsiones del Acuerdo de París para el año 2050 se mantengan por debajo de 2ºC:
Almacenamiento estático eficiente
Los sistemas estacionarios que pueden almacenar energía renovable en las próximas décadas también están llamados a experimentar una expansión masiva. Las baterías de iones de litio y de litio, níquel, manganeso y óxido de cobalto (NMC, por sus siglas en inglés) ya se utilizan para almacenar la energía solar y eólica producida en los hogares. Los científicos ahora exploran alternativas que utilizan zinc, vanadio o sodio, que están demostrando ser muy adecuadas para el almacenamiento estacionario. Pero es necesario ampliarlas para satisfacer la creciente demanda y hacerlas competitivas en cuanto a costes.
La conferenciaEnlace externo, que se celebra en Winterthur (Suiza) los días 2 y 3 de septiembre, reúne a participantes de los sectores público y privado para debatir sobre los retos y las soluciones para alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU. Uno de los temas clave del evento en la edición de 2021 es la energía renovable y el abastecimiento de materias primas.
Como medio colaborador, en el simposio de este año, SWI swissinfo.ch ha coorganizado y moderado un foro sobre la comunicación eficaz y sostenible, que ha incluido una presentación sobre el “periodismo de soluciones”.
El Empa es uno de los doce socios que intentan conseguirlo a través del proyecto europeo de baterías SOLSTICE, en el que también participan las empresas suizas FZSONICK y Quantis. Su objetivo es desarrollar baterías de sales fundidas de sodio y zinc que funcionen a altas temperaturas y puedan utilizarse para almacenar energía.
En las próximas décadas, a medida que los sistemas de almacenamiento de energía renovable y los vehículos eléctricos se multipliquen, la importancia de las baterías irá a más; por lo que las empresas suizas –y no únicamente los actores actuales– quieren sacar provecho, afirma Battaglia.
“Hasta mí llegan muchas empresas suizas que no son del ámbito de las baterías, pero que ven que es un mercado en el que pueden entrar por su experiencia de fabricación o integración”.
Traducción del inglés: Lupe Calvo
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