La revolución de las energías limpias requiere muchas baterías. Si bien los iones de litio dominan hoy en día, los investigadores están buscando mejores materiales.
Las baterías de iones de litio se han instalado permanentemente en nuestros hogares desde hace años. Están ocultos en su teléfono y computadora portátil, pero también pueden esconderse en su cepillo de dientes eléctrico o su bicicleta. Las baterías de iones de litio aún más grandes son vitales para los vehículos eléctricos . Incluso se utilizan enormes baterías de litio en la red eléctrica, lo que ayuda a nivelar los picos y valles de la generación y la demanda de electricidad. Estas baterías también desempeñan un papel muy importante en la transición hacia el abandono de los combustibles fósiles, un factor clave del cambio climático.
Las baterías de iones de litio alimentan nuestras vidas y su demanda crece cada año. Plantea la pregunta: ¿Tenemos suficientes recursos para satisfacer la demanda? ¿Y podría algo reemplazar alguna vez las baterías de iones de litio?
Los científicos han visto venir este problema durante años.
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«La preocupación es: ¿tenemos suficientes recursos para fabricar todas estas baterías de iones de litio para cada aplicación? Eso es parte del impulso del gobierno de EE. UU. de pensar a largo plazo en otras químicas», Vincent Battaglia , jefe de Tecnologías Electroquímicas. Grupo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, dijo a CNET.
He aquí un vistazo a las preocupaciones que tienen los científicos con respecto a los iones de litio y qué podría reemplazarlos.
¿Por qué son tan populares las baterías de iones de litio?
¿Qué hace que el litio sea tan bueno? Hay tres respuestas: densidad de energía, ciclo de vida y costo.
Las baterías de iones de litio son actualmente las baterías con mayor densidad energética que tenemos en el mercado. La densidad de energía es la cantidad de energía que puedes almacenar en una cantidad determinada de espacio.
«Se pueden tener dispositivos que tengan mucha energía, pero que ocupen muy poco espacio y peso», dijo Battaglia. «Son muy útiles cuando quieres transportar cosas como teléfonos móviles, portátiles y otros dispositivos personales, y hasta vehículos eléctricos».
Las baterías de iones de litio también ganan el concurso de popularidad porque son recargables, pero hay más que eso. Tienen un ciclo de vida relativamente largo, que es una de las formas en que los fabricantes miden cuánto durará la batería. Piense en ello como una forma de medir qué tan recargable es su batería.
Como ocurre con todo, el precio también es importante. Estas baterías se han vuelto relativamente baratas de fabricar y producir. Esto se debe en parte al bajo coste de las materias primas necesarias para fabricar la batería. Y a medida que estas baterías continúan creciendo en producción en masa, el costo de fabricación también continúa abaratándose.
Battaglia dijo que los grandes volúmenes en los que se producen estas baterías han reducido bastante los costos. Pero no siempre fue tan barato.
«El precio de las baterías de iones de litio inicialmente, cuando comenzaron en el mercado, no era tan barato en comparación con el de otros competidores», dijo a CNET Eungie Lee , científica de materiales del Laboratorio Nacional Argonne. «Pero el precio ha bajado significativamente durante la última década».
Los científicos e ingenieros de materiales llevan años mejorando el proceso de fabricación de baterías de iones de litio. Los científicos han encontrado materiales químicamente compatibles y más baratos, mientras que los ingenieros continúan empaquetando más de esos materiales en el mismo espacio, según Lee.
Los problemas de las baterías de litio
A pesar de la relativa eficiencia y asequibilidad del litio como química de la batería, existen algunos problemas con la adopción generalizada de estas baterías.
Preocupaciones por la seguridad de las baterías de litio
El mayor problema de seguridad con las baterías de iones de litio es, con diferencia, el riesgo de que se incendien. Las baterías de iones de litio dependen de una solución de electrolito líquido para cargar y descargar la batería correctamente. Lo hace moviendo iones de litio entre el lado positivo (cátodo) y el lado negativo (ánodo) de la batería, actuando como una especie de intermediario. El problema es que este electrolito es inflamable.
Las baterías de iones de litio no toleran bien el calor. Si una celda de batería comienza a sobrecalentarse, la presión se acumulará dentro de la celda y se abrirá el puerto de liberación de presión, dijo Battaglia. Estos puertos de liberación sirven para ayudar a liberar la presión y evitar que la batería explote. Sin embargo, lo que se libera es un vapor de gas inflamable que potencialmente podría incendiarse. Esto se propaga a las otras celdas de la batería y forma una reacción en cadena.
«Lo llamamos fuga térmica», dijo Lee.
La probabilidad real de que una batería de iones de litio se incendie es extremadamente baja. Pero sucede. Los incendios causados ??por baterías de iones de litio han ido en aumento en Nueva York en particular, y las bicicletas eléctricas y los scooters representan el mayor riesgo. Estos incendios son peligrosos y pueden propagarse rápidamente. Es también la razón por la que existen algunas regulaciones específicas sobre el transporte de baterías en los aviones .
El litio tiene un coste
Las baterías de iones de litio son excelentes y todo eso, pero el proceso de extraer litio conlleva algunas desventajas para el medio ambiente y las áreas donde se extrae. Esto se debe principalmente a los recursos hídricos y energéticos necesarios durante el proceso.
Gran parte del suministro mundial de litio se extrae en Chile y Australia. Durante el proceso minero, el litio se extrae de salmueras de agua salada que se encuentran bajo tierra o en la superficie. El líquido se bombea desde la tierra y se divide en grandes charcos y se deja reposar para que el agua se evapore, dejando atrás litio y otros materiales.
En cierto modo, la minería del litio contamina nuestro aire y agua. El proceso minero ocupa valiosos recursos de tierra y agua. Y si bien el litio se ha convertido en una parte importante de la transición hacia las energías renovables, la mayor parte del equipo necesario para operar las minas de litio funciona con combustibles fósiles.
Otros metales en las baterías de litio.
Si bien el litio es obviamente el elemento principal de una batería de iones de litio, existen otros materiales y metales en estas baterías. En particular, el níquel y el cobalto se han utilizado en muchas baterías de iones de litio, especialmente en las de vehículos eléctricos . El níquel se utiliza para aumentar la densidad de energía de la batería y el cobalto para estabilizarla, dijo Lee.
Sin embargo, aumentar el contenido de níquel en la batería sólo puede aumentar hasta cierto punto la densidad de energía de la batería. El níquel y el cobalto también pueden resultar bastante caros. Pero no es sólo el dinero lo que debería preocuparnos: hay un costo humano. La mayor parte del cobalto de nuestro mundo es extraído en la República Democrática del Congo por personas que trabajan en condiciones inhumanas y respiran el polvo tóxico del cobalto.
Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional Argonne están trabajando en cómo utilizar el manganeso como una alternativa sostenible al costoso cobalto . Los investigadores de Argonne afirman que el manganeso es mucho más asequible que el cobalto. También es un recurso muy abundante y una alternativa más segura que una batería repleta de altas concentraciones de níquel.
«Estamos trabajando en cómo aumentar el manganeso, eliminar el cobalto y disminuir el contenido de níquel», dijo Lee.
Una alternativa prometedora en sodio
Las baterías de iones de litio no desaparecerán pronto, al menos durante la próxima década. Los científicos han sido muy conscientes de los riesgos de seguridad y sostenibilidad asociados con las baterías de iones de litio durante años. Pero desarrollar nuevas sustancias químicas no es fácil y es difícil competir con el litio. La buena noticia es que los científicos estadounidenses han comenzado a explorar una nueva y prometedora alternativa en las baterías de iones de sodio . Pero esto conlleva su propia serie de desafíos.
«La mayor ventaja es el sodio en sí. Comparado con el litio, es mucho más abundante y más barato», afirmó Lee. «Está en todas partes.»
Los iones de sodio también abren nuevas oportunidades para que los científicos experimenten con nuevos elementos y materiales que no funcionaban bien con el litio. Esto permite aumentar el contenido de manganeso y hierro en el cátodo de la batería . Ambos son más baratos y sostenibles que el níquel y el cobalto.
La solución de electrolito líquido que se utiliza en las baterías de iones de litio ha planteado un riesgo de incendio en muchos hogares. Y aunque la versión actual de la tecnología de baterías de iones de sodio todavía tiene las mismas preocupaciones de seguridad, Lee dice que la química del sodio permite el desarrollo de posibles nuevos electrolitos no inflamables, potencialmente incluso nuevos electrolitos de estado sólido.
Las baterías de iones de sodio no son perfectas. El mayor inconveniente al que se enfrentan estas baterías es su menor densidad energética y peso. El sodio es más grande, más pesado y todavía no puede competir con la densidad energética del ion de litio. Si usáramos baterías de iones de sodio en vehículos eléctricos, la menor densidad de energía y el peso adicional de estas baterías significarían una autonomía de conducción más corta. El ciclo de vida de las baterías de iones de sodio también es menor que el de las baterías de iones de litio, y la degradación de la capacidad en las baterías de iones de sodio ocurre más rápidamente. En otras palabras, la vida útil de las baterías de iones de sodio es notablemente más corta que la del litio.
«Es por eso que hace unos 10 años, cuando las baterías de iones de litio estaban despegando, las baterías de iones de sodio no recibieron mucha atención real de la industria», dijo Lee. «Pero ahora veo que hay un gran interés en las baterías de iones de sodio».
En su estado actual, las baterías de iones de sodio tienen aplicaciones limitadas y todavía les queda mucho camino por recorrer antes de llegar a un mercado masivo. Sin embargo, los científicos seguirán explorando aún más posibilidades nuevas que el sodio puede aportar.
Fuente: cnet.com
