Teléfonos móviles, portátiles, maquinillas de aseo o coches eléctricos: todos tienen en común que portan baterías de litio-ión o ión de litio. Son las más utilizadas por la alta densidad energética que ofrecen, y en el caso de las poliméricas, por la flexibilidad morfológica, lo que ha permitido que hoy en día cada dispositivo tenga una batería de tamaño y peso reducido con forma propia, no estandarizada. Sin embargo, es un metal escaso y no es óptimo cuando ni el tamaño ni la forma son lo más importante, como en los acumuladores de plantas de energía, es decir, para el almacenamiento en red.
Desde el centro de investigación cooperativa sobre energía CIC Energigune, junto a Vitoria, se coordinan varios proyectos que buscan crear sistemas de almacenamiento de energía eficientes y seguros a partir de sodio, un elemento con menor densidad energética que el lítio pero abundante en la naturaleza.
El director del área de almacenamiento de energía es Teófilo Rojo, con el que hemos hablado sobre el avance en las investigaciones, sus posibles aplicaciones en consumibles o la repercusión para la industria y para el medio ambiente.
¿Las baterías de litio siguen teniendo futuro o van a ser sustituidas a corto o medio plazo?
Las baterías de litio van a tener futuro porque son las que tienen mayor densidad energética. Ya sean las baterías de litio-ión, de litio-aire o de litio-azufre. El problema que hay con él es que al cabo de unos años habrá escasez y los países que fundamentalmente tienen minas ahora son Chile, Bolivia y se han encontrado también varias en Afganistán. Estos dos últimos son países que pueden afectar significativamente al mercado y desde ese punto de vista de la escasez, mi opinión personal es que el litio debe dedicarse a baterías para vehículo eléctrico, móviles u ordenadores portátiles.
También se pueden utilizar baterías de litio para almacenamiento en red, pero se están estudiando alternativas como las baterías de sodio y probablemente en el futuro también las de magnesio, y ya estamos muy avanzados. Partiendo de que el sodio es limpio, la fuente natural es inagotable porque tenemos fuentes marinas, es decir, se puede obtener cloruro sódico de diversas fuentes baratas y por tanto no sería un problema. Aunque eso no quiere decir que no sea contaminante.
Desde el punto de vista de densidad energética, el sodio no es competitivo con el litio, pero se ahorrarían costes por lo que se podrían sacar baterías de bajo coste. En cambio, al tener baja densidad energética, las baterías tendrían que ser más grandes en tamaño, en volumen, para la misma duración. Por eso, para almacenamiento en red aplicado a las energías renovables como las eólicas o las solares en las que el sistema de almacenamiento no es tan importante, serían totalmente utilizables.
¿Cuál es el mayor escollo que afrontan para crear baterías de socio para ser comercializadas?
Hay baterías de sodio ya comercializadas, las baterías de sodio-azufre y las baterías de sodio-metal haluro llamadas Zebra. Estas baterías trabajan a 300ºC y por tanto tienen ciertos problemas de seguridad.
Nosotros nos estamos centrando en baterías de sodio-ión, es decir, para trabajar a temperatura ambiente. En ellas, la química es como las baterías de litio-ión, pero aplicadas a sodio-ión. También hay una tendencia de rebajar la temperatura de las baterías de sodio, sodio-azufre, etc, para trabajar a temperaturas intermedias, es decir, 120ºC a 150ºC y de hecho hay varios grupos de investigadores en lugares como Estados Unidos o Japón que ya están trabajando en ello.
Siempre que trabajemos como sodio metálico hay que fundirlo, hay que superar su temperatura de fusión que son unos 98ºC. Por tanto siempre que trabajemos como sal de sodio fundida tenemos que estar por encima de esa temperatura.
¿Cómo avanza la investigación para lograrlo?
Se ha venido trabajando en varios grupos muy dispersos. Nosotros publicamos en la revista EES (Energy & Environment Science) en febrero de 2012 y ahí recopilábamos los distintos trabajos por los que apostamos en el CIC Energigune. A partir de esa publicación ya se han referenciado más de 160 trabajos, 160 citas. En estos momentos los mejores centro del mundo en China, Japón, Europa o Estados Unidos están introduciéndose ya en esta línea del sodio-ión. Lo que se proyecta con estas investigaciones es obtener baterías de sodio a bajo coste para almacenamiento estacionario.
Queda mucho todavía, pero como la química de intercalación del sodio es muy similar a la del litio, los materiales utilizados en uno se pueden reutilizar en otro para los electrodos, y ahí ya tenemos un camino recorrido. No siempre es así, porque por ejemplo, el litio intercala bien en grafito y no el sodio, pero para eso ya se están extendiendo a otro tipo de ánodos en los que la intercalación se lleva a cabo bien. Por tanto, la investigación sobre el sodio-ión está en los inicios pero tiene donde apoyarse y lo único que hay que lograr es trabajar a bajas temperaturas.
Hay algunas empresas de vehículo eléctrico como Toyota que también están pensando en este tipo de baterías para vehículos híbridos, no para eléctricos 100% ya que esos deben utilizar baterías litio-aire, zinc-aire o litio-azufre que puedan compensar esa falta de densidad energética.
¿Vamos camino de sustituir al petróleo con baterías 100% eléctricas?
El problema que hay ahora con las baterías de litio es que las prestaciones que tiene un vehículo completamente eléctrico son 100 o 120 kilómetro de autonomía, pero para poder competir con un vehículo de gasolina habría que aumentarla. Eso lo pueden hacer las nuevas líneas de litio o incluso las zinc-aire.
Todavía queda bastante camino por recorrer porque hay otro problema que aun no hemos superado, el del precio de la batería. Actualmente supone la mitad del coste del vehículo por tanto no son competitivas, aunque con el tiempo creo que lo serán.
En cuanto a plazos, las litio-azufre se espera que estén en el mercado en cuatro o cinco años, pero no así las de litio-aire, que son las que mejores prestaciones pueden dar por su mayor densidad energética, alcanzando los 500 kilómetros sin repostar. Sin embargo, hay algunos elementos de química básica que aun no tenemos controlados y podríamos estar hablando de 20, 25 o 30 años más.
¿Y de duración y ciclo de carga?
En cuanto a la duración de la batería, para que sea competitiva debe alcanzar al menos siete años. En cuanto a la recarga, hay sistemas que requieren tan solo 20 minutos. Pero también hay otros procedimientos como el que utiliza una empresa que alquila coches en París, en el que directamente se cambia una batería por otra en los centros que tienen habilitados en lugar de que tenerte esperando a que se recargue.
Una de las ventajas de algunas baterías de litio es que dan flexibilidad de diseño al fabricante. ¿Qué ocurre con las de sodio?
Es exactamente igual. De hecho, ya estamos trabajando con electrolitos poliméricos para baterías de sodio todo sólido, es decir, para tener un electrolito polimérico. Nosotros ya tenemos una publicación y una patente relacionada con un electrolito polimérico que puede ser utilizado en baterías de sodio, pero también hay otros grupos de investigadores que han encontrado otros materiales que pueden ser utilizados como electrolitos y en una ventana de hasta 4,1 voltios, lo cual es bastante competitivo.
Se vuelve a hablar de las baterías de azúcar.
Los científicos estamos condicionados por el medio ambiente y hay grupos que están trabajando en baterías orgánicas y en baterías limpias constantemente. Las baterías orgánicas tienen elementos más limpios pero tienen otros inconveniente como la inestabilidad técnica, mecánica y menores prestaciones.
La ciencia evoluciona y lo que lleguen a encontrar unos equipos que hacen investigación básica, como un material adecuado, puede transformar de forma significativa la evolución de los procesos, tanto en baterías como en supercondensadores como en pila de combustible en los que es muy importante el material.
¿Cómo afectará el paso al sodio a la contaminación y al reciclaje?
En el caso del ión-litio ese problema de la escasez ha ayudado a que surjan empresas que hacen reciclado y creo que cada vez va a ir a más. Pero es un aspecto que en el caso del sodio no es determinante porque es muy abundante y va a ser competitivo desde el punto de vista del mercado.
Por otro lado, hay otra ventaja en el colector de corriente. En el caso de las baterías de litio se necesita cobre mientras que en el sodio se puede utilizar aluminio como colector de corriente, lo cual abarata tanto el precio como el peso de la batería. Da mejores prestaciones. Sin embargo, también hay algunos electrolitos que si no son en estado sólido son disolventes orgánicos y esos siempre tendrán contaminación o inflamabilidad. Algo que se mejora con el estado sólido.
Tampoco diría que la gente se va a olvidar del aspecto contaminante de la batería por la abundancia del sodio. La gente que trabajamos en este campo somos conscientes de que tenemos que hacer lo máximo posible para evitar contaminación o al menos disminuir al máximo el riesgo de contaminación.
Pero hay otro factor medioambiental interesante que no se puede pasar por alto. En el campo de las energías renovables el almacenamiento juega un papel esencial, sobre todo en energía térmica y energía eléctrica, porque el factor tamaño-densidad es menos importante. Por eso se está apostando bastante por estos sistemas.
¿Trabajan y colaboran con departamentos de marketing de grandes compañías para enfocar la investigación a las características de los productos?
Para nuestro centro es algo muy importante. Ya tenemos proyectos industriales con multinacionales como Volkswagen o Repsol. Para nosotros la empresa que va a utilizar o aplicar el resultado de nuestra investigación es importante.
Dentro de nuestro centro, uno de los aspectos básicos es llegar al escalado, al prototipado y hacer esa transferencia tecnológica a las empresas.
Cada una pide un tipo de escalado dependiendo de lo que estén buscando. Si es una batería para ordenadores o para teléfonos móviles los parámetros son distintos que si estás utilizando una batería para almacenamiento estacionario. Y dependiendo de la empresa con la que colaboras los objetivos también cambian porque, por ejemplo, en unos casos te piden potencia y en otros densidad de energía.
¿Cuándo veremos un teléfono con una batería que dure una semana o un coche con una autonomía de 500 Km?
No a corto plazo.
