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Nuevas tecnologías en baterías de nueva generación. Presente y futuro

29/12/2014
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Hace poco salí a tomar un café en una zona de compras y me percaté de que los enchufes de esta cafetería era un recurso muy codiciado ya que muchos de los clientes de esta, entraban a la cafetería con el fin de alimentar a su teléfono móvil antes que a sí mismos.

Los dispositivos móviles son miniordenadores ya que sirven no solo para llamar sino como cámara fotográfica, acceso a internet, juegos y aplicaciones varias, con el inconveniente de que cada uno de estos usos requiere sus electrones para funcionar. Es común entre los usuarios, yo el primero, quejarnos sobre la corta duración de las baterías de nuestros dispositivos, el motivo es que no somos conscientes de que con las baterías ión-litio actuales solo tendríamos que cargar el móvil una vez al mes si las mismas alimentaran a los teléfonos móviles de hace unos años; cuya función solo era la de realizar llamadas.

Pero abramos un poco el campo de uso de las baterías, ya que estas no solo las solemos tener en nuestros bolsillos adosadas a la electrónica de consumo, sino que las tenemos en cualquier vehículo de combustión, las tenemos en instalaciones fotovoltaicas no conectadas a red y las tenemos cada vez más en los vehículos eléctricos. Siendo en este último uso donde la industria en el campo del almacenamiento tiene el gran reto.

Las baterías que más desarrollo han experimentado han sido las de ión-litio ya que se ha reducido el peso de los materiales empleados al mismo tiempo que se ha aumentado la capacidad y eliminado el efecto memoria. Los parámetros fundamentales que definen la calidad de una batería son básicamente tres:

  • Densidad energética

La densidad energética o autonomía de una batería es la cantidad de energía que es capaz de almacenar por kilo de peso. Las baterías almacenan energía debido a la reacción química que se produce en ella y en la que los reactivos y productos intercambian partículas cargadas. Por ejemplo para las baterías de ión-litio los electrones fluyen a través del circuito externo y los iones litio a través del electrólito que separa ambos electrodos.

El número de electrones e iones litio que pueden transferirse es limitado y depende de la composición y la estructura del material de que está compuesto el electrodo. Por tanto existe una energía máxima teórica que podremos alcanzar en función del peso de los materiales que pueden intercambiar electrones tal y como nos indica la tabla periódica, la cual por ahora es donde se puede hallar la respuesta.

  • Velocidad de carga

Es el tiempo que se necesita para cargar la batería. La velocidad a la que los iones pueden desplazarse entre los electrodos es un factor limitante. Por ejemplo, en una batería de ión litio al inicio de la reacción, los iones litio abandonan la estructura cristalina de un electrodo a través del seno del electrólito e insertarse en la estructura del contraelectrodo. En su desplazamiento sufrirán resistencia a su difusión, que es el factor principal que limita la velocidad de recarga de la batería. Esta resistencia podría ser muy pequeña o nula si el seno de difusión fuese aire como en las de tipo litio-aire.

  • Número máximo de ciclos de recarga

Otro parámetro no menos importante que los anteriores es la cantidad de veces que una batería se puede cargar y descargar, manteniendo su densidad energética y demás propiedades técnicas.

Las baterías son el “cuello de botella” que es  necesario eliminar para la implantación masiva de los coches eléctricos y más concretamente su capacidad de autonomía y velocidad de recarga.

La gente espera de un vehículo eléctrico al menos una autonomía para repostar de 700 kilómetros y en no más de 2 minutos. Para que una batería tenga esa autonomía (ya no hablamos de velocidad de recarga) y poder competir con combustibles fósiles, tendría que tener una densidad energética de 1.000 Wh/kg. Actualmente las baterías tienen entre 4 y 5 veces menos densidad energética. En cuanto al tiempo de recarga, la solución puede pasar por que cuando se lleve el coche para su recarga, lo que se haga es cambiar directamente la batería cargada por otra descargada.

Son varias las estrategias que se están siguiendo para mejorar el rendimiento: por un lado se está trabajando en baterías ión-litio avanzadas, intentando mejorar el rendimiento de los materiales en función de la conductividad, la capacidad, la difusión, etc. La otra estrategia que se está siguiendo es desarrollar y resolver los problemas de otros sistemas de almacenamiento como litio-azufre y litio-aire y tecnologías con nanopartículas.

Respecto a las baterías de ión-litio avanzadas se estima que su capacidad teórica podría llegar a los 300 Wh/kg (actualmente alcanza los 200 Wh/kg). Por tanto Esta densidad es insuficiente para el vehículo eléctrico. Por tanto es complicado que el ión-litio sea la batería que propicie la implantación masiva del automóvil eléctrico.

El litio-azufre es la tecnología alternativa al ión-litio más desarrollada. Teóricamente puede superar los 400 Wh/kg, pero todavía debe superar algunos retos tecnológicos
antes de su comercialización en masa. Uno de ellos es el de su seguridad.

La nanotecnología tampoco es la solución, a menos en su totalidad. El motivo es que aunque el uso de materiales al nivel nano tiene como ventaja que se disminuya drásticamente la distancia que los iones deben cruzar y por tanto la resistencia; tiene una desventaja en cuanto a la descomposición del electrolito en la superficie de las partículas, la cual se ve aumentada conduciendo a un envejecimiento de la batería y una disminución de su ciclo de vida. Un ejemplo es el uso del grafeno.

Pero aunque no sea la solución total, en parte la síntesis de materiales nanoestructurados ha abierto un campo de nuevas posibilidades y ha rescatado del olvido materiales antiguamente descartados por su falta de reactividad electroquímica cuando se preparaban en tamaños de partícula grandes.

El futuro es que los coches eléctricos se muevan con baterías de litio-aire, ya que estas sí que podrán tener un rendimiento potencialmente equiparable al de los utilitarios de combustión fósil; pero no solo hay que mirar el aspecto técnico en cuanto a la autonomía, sino que también es esencial la viabilidad económica. Pero estas baterías están en una fase muy temprana de desarrollo.

La realidad es que la mejor alternativa actualmente desarrollada es la tecnología de ión-litio. Esta es la que se ha implantado en el modelo S de Tesla Motors y la que incorporará el híbrido Prius de Toyota en su próxima edición, sustituyendo a las de níquel-hidruro metálico que utilizaba hasta ahora.

Mientras todas estas innovaciones van tomando forma todo indica que seguiremos durante mucho tiempo nuestro acostumbrado peregrinar en busca de un enchufe libre en el que recargar nuestro teléfono inteligente y no veremos el coche eléctrico circular con normalidad.

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Categorizado en: Energía

2 Comentarios

  1. juan carlos soria dice:

    ¿Cuándo circulará en el mercado automovilistico el coche impulsado por baterias solares?

    o es que no es rentable para las empresas de automoción.

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    • Rogelio Delgado Rogelio Delgado dice:

      La demanda eléctrica de los motores eléctricos es elevada y requiere de una acumulación previa en las baterías adecuadas, actualmente el numero de placas que se pueden disponer en un coche es limitado por espacio evidentemente y la cantidad de energía que se puede recoger por radiacción solar así como la transformación en energía eléctrica acumulable en las baterías resulta muy baja en comparación con la necesidad eléctrica que requiere el vehículo, es por esto que actualmente no tiene una aplicación tu propuesta de coche solar.

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