El abanico de materiales avanzados que responde a los retos de las baterías

Desde el Acuerdo de París de 2015, una de las estrategias que más se ha destacado para mitigar el cambio climático ha sido la de sustituir las tecnologías de vehículos, edificios y procesos industriales que dependen de combustibles fósiles, por otras que funcionen con electricidad, a menudo procedente de energías renovables. Pero electrificar implica fabricar baterías recargables adecuadas y capaces de almacenar energía suficiente para cubrir las necesidades de las nuevas aplicaciones.

Hoy en día, la tecnología de baterías más común es la de iones de litio, introducida por primera vez en el mercado en 1991 por la empresa multinacional Sony. En el contexto en el que empezaron a comercializarse, su capacidad de proporcionar la suficiente energía manteniendo un pequeño tamaño y peso ligero fue lo que permitió impulsar la electrónica portátil que ahora domina nuestras rutinas: móviles, ordenadores, etc. Sin embargo, desde hace al menos 10 años, el contexto ha cambiado. La electrificación pide a gritos el desarrollo de tecnologías que almacenen más energía, que además estén basadas en procesos de fabricación más sostenibles y en materiales que no requieran de materias primas tan limitadas y caras como el litio, al que se le conoce como el oro blanco.

Para lograr que las tecnologías alternativas a las del litio puedan posicionarse con solidez en el mercado como las baterías del futuro, deben reunir los requisitos anteriores y mejorar también la seguridad. Otro de los problemas de las baterías de iones de litio es que, pese a los sistemas de protección que llevan incorporados, el propio uso, un golpe fuerte, una sobrecarga o la exposición a altas temperaturas pueden provocar que se sobrecalienten y se dañen, haciendo que se liberen gases tóxicos y, en el peor de los casos, que se incendien. En los últimos años, debido a su uso extendido, incidentes de este tipo ya han sonado en los titulares de los medios y han llevado a la acción política: en varias ciudades está prohibido viajar con patinetes eléctricos en el transporte público y Renfe prohibió su acceso en todos los trenes de viajeros, desde diciembre de 2023.

Tratar de mejorar todas las características a la vez es tremendamente complejo y hay muchas variables a tener en cuenta a la hora de desarrollar materiales competitivos para las diferentes aplicaciones. Los institutos del área de Materia del CSIC llevan a cabo proyectos de investigación en tecnologías alternativas al litio muy diversas, con el mismo gran objetivo. “Aunque cada uno lo hace a través de una química diferente, al final todas y todos los que trabajamos en baterías estamos direccionados hacia conseguir mayor densidad energética, mayor seguridad, el uso de materiales no críticos de bajo coste, y procesados que sean escalables y de bajo impacto ambiental”, resume Ainara Aguadero, científica titular del grupo de Conversión y Almacenamiento de Energía del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC).

Sustituir el litio por elementos más abundantes como el calcio o el sodio, fabricar electrodos de carbono mediante tecnologías de impresión 3D o diseñar electrolitos sólidos que permitan a los iones desplazarse entre electrodos con la facilidad de un líquido, son algunas de las vías que están redefiniendo el futuro de las baterías. Estas estrategias abarcan desde propuestas que aún se encuentran en el laboratorio hasta desarrollos que ya han dado el salto al mercado en forma de patentes o spin-offs.

Más allá del litio: nuevas químicas

En el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB), buscan materiales que puedan utilizarse en baterías de coches eléctricos o parques de energías renovables que aporten mayor energía por unidad de volumen, y que sean significativamente más sostenibles que las de litio estándar, con el objetivo a largo plazo de lograr su escalada al mercado.

Las baterías de iones de litio (Li+), se llaman así porque son estos iones positivos los que van, durante la descarga, del electrodo negativo al positivo a través del electrolito, un líquido orgánico. Al mismo tiempo, los electrones circulan por el circuito externo para suministrar energía. Por cada electrón cedido, se necesita un ion litio que lo neutralice.

Las investigaciones lideradas por M. Rosa Palacín y Alexandre Ponrouch, del departamento de química del estado sólido, apuestan principalmente por materiales que incluyen calcio, sodio o magnesio. “La ventaja del sodio es que es químicamente bastante similar al litio y su tecnología asociada está ya bastante desarrollada, gracias a que hemos podido aprender de la primera. La ventaja en el caso del calcio o el magnesio es que te proporcionan mayor densidad de energía. En lugar de cambiar un electrón por cada ion de litio o cada ion de sodio, puedes cambiar dos electrones, por cada ion de calcio o de magnesio (Ca2+ o Mg2+)”, explica Palacín, profesora de investigación del CSIC y jefa del departamento.

Además, el calcio, el sodio y el magnesio son respectivamente el quinto, el sexto y el octavo elemento más abundante en la corteza terrestre, mientras que el litio, en esta escala estaría más allá de la trigésima posición, según los datos de la Real Sociedad de Química del Reino Unido. “Las baterías de calcio o magnesio pueden tener un rol muy importante en el uso más extendido de las energías renovables, ya que, para fabricarlas, hay recursos más que suficientes y mucho mejor distribuidos en la corteza terrestre. Con el litio no se puede conseguir y menos aún a un coste asequible”, opina Ponrouch, científico titular en el ICMAB.

En los laboratorios del ICMAB, diseñan y ensamblan celdas de batería, en distintos formatos, como el de pilas de botón. Antes de poder fabricar baterías como las de los coches eléctricos, que conectan miles de celdas más grandes entre sí para proporcionar un mayor voltaje, es necesario hacer experimentos a menor escala. Para comprobar su funcionamiento, las someten a distintas condiciones a lo largo de varios ciclos de carga y descarga. Cuando buscan entender los mecanismos de reacción de los materiales a escala atómica, llevan a cabo los testeos en el Laboratorio Conjunto CSIC-ALBA, en funcionamiento desde diciembre de 2024. Esta infraestructura se encuentra en las instalaciones del Sincrotrón ALBA, situado a menos de tres kilómetros del instituto, y les permite aprovechar los experimentos con luz de sincrotrón para sus propias investigaciones.

En el ámbito específico del almacenamiento estacionario de energía a gran escala, destaca otra alternativa prometedora, muy diferente en diseño a las baterías de litio, calcio o sodio: las baterías de flujo redox, que funcionan mediante reacciones de oxidación-reducción de iones de vanadio u otros metales como el hierro. Estas tecnologías renuncian a la ligereza y compacidad del dispositivo en favor de una mayor versatilidad de diseño, además de ofrecer ventajas en sostenibilidad, seguridad y vida útil.

“La principal ventaja de las baterías de flujo redox es que, por cómo funcionan y cómo están diseñadas, es posible desacoplar la potencia de la energía, lo que las hace muy versátiles e ideales para los parques de energía renovable, entre otras aplicaciones”, señala Zoraida González, científica titular del grupo de Materiales Compuestos del Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono (INCAR), ubicado en Oviedo. Mientras que en las baterías de litio la energía se almacena en los electrodos, en las de flujo redox se almacena en electrolitos que se encuentran en grandes contenedores externos separados de las celdas donde se producen las reacciones electroquímicas.

A partir de la tecnología desarrollada en el CSIC, se ha planteado la comercialización de estas baterías, a través de la empresa Vanaflow Energy Systems, una spinoff constituida en 2023, que actualmente busca potenciales inversores. Está formada por investigadores e investigadoras del INCAR, como González, del Instituto de Tecnología Química (ITQ) de Valencia y del Instituto de Carboquímica (ICB) de Zaragoza.

Inicialmente, junto a otros siete institutos, fueron parte de la Plataforma Temática Interdisciplinar (PTI) Flowbat 2021 con la que diseñaron un primer prototipo de 1kW, y posteriormente de PTI TransEner +, que presentó un segundo prototipo de 50kW. El INCAR, además de coordinar ambos proyectos, ha contribuido con un diseño más eficiente de los electrodos de la batería, basados en fieltros de grafito. Actualmente, destacan especialmente en el desarrollo de electrodos tridimensionales basados en carbono, empleando técnicas pioneras como la impresión 3D por extrusión (DIW), a partir de subproductos de la industria del carbón y del petróleo.

Electrolitos sólidos que garantizan la seguridad

El segundo gran enfoque en la investigación de nuevos materiales para el almacenamiento de energía gira en torno a la seguridad. “Recientemente, se está invirtiendo mucho esfuerzo en hacer que las baterías sean más seguras. Es lógico porque están en todas partes y se van a utilizar mucho. Hay que llevar el riesgo lo más cerca posible de cero”, afirma Pilar Tiemblo Magro, Investigadora Científica del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros (ICTP) en Madrid.

El foco de los problemas es el electrolito. En las baterías estándar, se trata de un líquido orgánico inflamable, que puede dar lugar fácilmente a fugas de compuestos corrosivos y tóxicos. La principal solución es sustituirlo por un electrolito sólido. “Hay mucho interés, no solo por la seguridad que aporta, sino porque, en principio, abre la puerta a cambiar los materiales de los electrodos por otros con mayor densidad energética, pudiendo llegar a multiplicarla por 10. Los electrolitos líquidos no permiten ese cambio”, destaca Ainara Aguadero, del ICMM.

La línea de investigación de Aguadero persigue este objetivo desarrollando electrolitos inorgánicos que incorporan mezclas de haluros y óxidos y evaluando sus propiedades como parte de un dispositivo completo. “En general, tanto los óxidos como los haluros forman estructuras cristalinas muy variadas que te permiten jugar mucho con la química, la composición y la estructura, para optimizar las propiedades eléctricas, ópticas o mecánicas”, explica Aguadero.

No obstante, también recuerda que “las propiedades y cómo funcionan estos sistemas no dependen solo de los materiales, sino también de cómo estos se unen entre sí, es decir, de los procesos que se dan entre las interfases de los materiales”. Es por ello que hay grupos de investigación de materiales poliméricos que también desarrollan electrolitos sólidos, pues estos presentan una mayor flexibilidad y proporcionan interfases semejantes a las que proporciona un líquido.

“Los polímeros son moléculas orgánicas de cadenas muy largas y son lo que se llama materia blanda. Hacen que los electrolitos poliméricos compartan muchas propiedades con los líquidos. Por un lado, no fluyen. Por otro lado, sí que son capaces de adaptarse a la superficie rugosa de los electrodos y generar interfases con una interacción excelente. Además, los electrolitos sólidos frenan la pérdida de capacidad en los sucesivos ciclos de carga y descarga y reducen la posibilidad de cortocircuitos”, explica Tiemblo, del Grupo Química Física de Materiales Poliméricos Heterogéneos (HEMPOL) del ICTP, que coordina desde 2019 proyectos europeos para el desarrollo de electrolitos poliméricos. 

Para explotar todo su potencial, los investigadores Jon Maiz y Alberto Álvarez, del grupo de Polímeros y Materia Blanda del Centro de Física de Materiales (CFM), localizado en Donostia-San Sebastián, consideran fundamental comprender en profundidad los complejos procesos que tienen lugar a escala atómica en este tipo de electrolitos. “La industria se fija mucho en el producto final porque quiere resultados, pero si proporcionamos mecanismos detallados, ese rendimiento puede ser todavía mayor", argumenta Maiz.

Con este objetivo, Maiz y Álvarez, ambos investigadores Ramón y Cajal, han puesto en marcha PESAlab, un laboratorio aún en crecimiento dedicado al desarrollo de electrolitos basados en polímeros y a otras líneas de investigación en materia blanda. Para analizar la difusión iónica en el electrolito en las escalas de tiempo más cortas, recurren a la dispersión de neutrones. Esta técnica la combinan con otras más convencionales: la reología y la espectroscopía dieléctrica, que proporcionan información sobre escalas de tiempo mayores. “Reconstruyendo [los procesos dinámicos] con las tres técnicas, se tiene acceso a todas las escalas de tiempo y se puede ver todo lo que está pasando dentro de ese material. Tener este tipo de datos es el primer paso para empezar a entender”, destaca Álvarez. 

El desarrollo de nuevos materiales para baterías se presenta como un campo amplio, diverso y en plena efervescencia, impulsado por un fuerte respaldo institucional y financiero ligado a la transición energética. Aunque no hay una única tecnología que se erija como la solución definitiva, los distintos esfuerzos convergen en una misma dirección que abre horizontes prometedores para alejarnos de los combustibles fósiles, los procesos industriales intensivos y las materias primas limitadas. Así, las baterías de litio tal y como las conocemos hoy están llamadas a dejar ser la referencia dominante en el futuro.

Elisa Ramírez / Contenido realizado dentro del Programa de Ayudas CSIC – FundaciónBBVA de Comunicación Científica, Convocatoria 2024 CSIC Comunicación