6 alternativas al litio

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Desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos, las baterías alimentan por sí solas algunas de las tecnologías más impactantes de nuestras vidas. Y si bien las baterías en sí no son una tecnología nueva, el tipo de iones de litio (Li-on) que alimenta la mayoría de nuestros dispositivos apenas comenzó a ganar terreno hace unas pocas décadas. Pero así como el mundo ha avanzado hacia fuentes de energía renovables y sostenibles como la eólica y la solar, en los últimos años también han surgido avances similares en alternativas a las baterías de iones de litio.

Entonces, en este artículo, echemos un vistazo rápido a las alternativas a las baterías de iones de litio que se avecinan. Pero primero, recapitulemos cómo funcionan las baterías modernas y los muchos problemas que afectan a esta tecnología.

Antes de explorar cómo funcionan las tecnologías competidoras, vale la pena revisar los conceptos básicos de una batería recargable de iones de litio y por qué no son exactamente ideales en el mundo actual.

Cada batería se compone de un cátodo (electrodo positivo), un ánodo (electrodo negativo) y un medio electrolítico. Cuando se agota una batería de Li-on cargada, los iones de litio cargados positivamente se mueven del ánodo al cátodo. Esto también desencadena un flujo de electrones, que pueden utilizarse para alimentar dispositivos electrónicos. Y cuando cargas una batería de Li-on, el mismo proceso se produce a la inversa.

En definitiva, se obtiene un ciclo que permite cargar y descargar una batería de Li-on cientos de veces. Pero eso no significa que la tecnología sea perfecta.

Las baterías de Li-on tienen una serie de inconvenientes que han afectado a todo, desde la producción del iPhone hasta la viabilidad de los coches eléctricos. Algunos de estos problemas incluyen:

Teniendo en cuenta todos los problemas anteriores, no debería sorprender que prácticamente todas las principales empresas de tecnología estén tratando de encontrar tecnologías de baterías alternativas. Si bien muchos de estos esfuerzos aún están en sus inicios, unos pocos podrían impulsar vehículos eléctricos de próxima generación y otros productos electrónicos de consumo en la próxima década. Entonces, sin perder tiempo, aquí hay una lista rápida de las principales alternativas de iones de litio y cómo mejoran la tecnología de baterías existente.

Comencemos con una tecnología de batería que no se aleja demasiado de la línea base de Li-on con la que estamos familiarizados.

Las baterías de iones de sodio simplemente reemplazan a los iones de litio como portadores de carga con sodio. Este único cambio tiene un gran impacto en la producción de baterías, ya que el sodio es mucho más abundante que el litio. De hecho, se puede utilizar la sal de los océanos para extraer sodio en prácticamente cualquier parte del mundo. Esto también podría reducir el costo de producción de baterías, ya que ya no tendrá que preocuparse por el almacenamiento y transporte de un material potencialmente peligroso como el litio.

Sin embargo, las baterías de iones de sodio tampoco son perfectas. Sus iones son físicamente más grandes que el litio, lo que se traduce en una menor densidad de energía. En el mundo real, esto puede resultar en una autonomía más baja para los vehículos eléctricos y tiempos de ejecución más cortos para los teléfonos inteligentes. Aún así, las otras ventajas de las baterías de iones de sodio merecen una mayor investigación sobre la tecnología.

Una batería de iones de litio utiliza cobalto en el ánodo, que ha resultado difícil de conseguir. Las baterías de litio-azufre (Li-S) podrían remediar este problema utilizando azufre como material catódico. Además de sustituir al cobalto, las baterías de Li-S ofrecen algunas ventajas, a saber, una mayor densidad de energía y menores costes de producción.

El mayor problema con las baterías de litio-azufre en este momento se relaciona con su rápida tasa de degradación. Entonces, aunque vimos un avión propulsado por energía solar que usaba una batería Li-S en 2008, todavía estamos esperando que continúen las investigaciones para hacer que la tecnología sea viable para la electrónica cotidiana.

Las baterías de iones de litio utilizan un medio electrolítico líquido que permite que los iones se muevan entre los electrodos. El electrolito suele ser un compuesto orgánico que puede incendiarse cuando la batería se sobrecalienta o se sobrecarga. Por eso, para reducir este riesgo, los investigadores han ideado una alternativa en forma de baterías de estado sólido. Estos utilizan un electrolito inorgánico sólido, que puede soportar ambientes hostiles y cambios bruscos de temperatura.

Además del menor riesgo de ignición, las baterías de estado sólido también pueden contener más energía en comparación con sus homólogas de Li-on. La mayor conductividad de un electrolito sólido también debería conducir a tiempos de carga más rápidos, lo que significa que deberíamos ver mejores capacidades y velocidades de carga en los dispositivos que adoptan esta tecnología.

Hasta ahora, hemos visto a los fabricantes de vehículos eléctricos mostrar un gran interés en las baterías de estado sólido. Honda, por ejemplo, dijo que haría una demostración de la tecnología a partir de 2024. Mientras tanto, Toyota ha adoptado un enfoque más conservador y planea presentar baterías comerciales de estado sólido después de 2027.

Si bien no son exactamente similares a una batería recargable de Li-on, las pilas de combustible de hidrógeno se han convertido en una alternativa popular para suministrar energía limpia. Implica combinar el gas hidrógeno almacenado con el oxígeno del aire para producir electricidad y vapor de agua. En otras palabras, el subproducto de la reacción es totalmente respetuoso con el medio ambiente.

Sin embargo, las pilas de combustible de hidrógeno todavía tienen algunas desventajas. En la industria del automóvil, por ejemplo, es necesario construir una red de estaciones de servicio de hidrógeno. Para empezar, también es bastante caro construir pilas de combustible de hidrógeno, por lo que, aunque tenemos coches como el Toyota Mirai, sólo unas pocas regiones del mundo cuentan con la infraestructura necesaria para alimentar su tanque de hidrógeno.

En otro intento más de hacer que las baterías recargables sean menos peligrosas y dañinas, los investigadores han propuesto el uso de iones de magnesio como portadores de carga. Esto tiene algunas ventajas, empezando por la abundante disponibilidad de magnesio y su mayor carga iónica en comparación con el litio. Esto último significa que se obtiene una mayor densidad de energía con una celda del mismo tamaño. Por último, estas baterías también utilizan un electrolito acuoso (agua) en lugar de un líquido orgánico inflamable.

Si bien es prometedor, todavía estamos en las primeras etapas de la investigación. La tecnología enfrenta varias limitaciones que le impiden servir como alternativa a la batería de iones de litio en el corto plazo. Por ejemplo, los materiales catódicos existentes que funcionan con litio no se pueden utilizar para magnesio. Y el uso de un electrolito acuoso pone un límite al voltaje máximo de la batería porque el agua se descompone a voltajes más altos.

El grafeno es una sola capa de átomos de carbono, dispuestos en una red hexagonal o estructura similar a un panal. Una lámina de grafeno es tan delgada que prácticamente se considera una estructura bidimensional. Esta propiedad única se presta bien para la producción de baterías, ya que también tiene una excelente conductividad eléctrica, bajo peso y una estructura física fuerte. En 2021, el fabricante de automóviles chino GAC anunció un gran avance en la tecnología de baterías de grafeno, logrando una carga del 80% en solo ocho minutos.

Hemos visto muchos rumores en torno al grafeno como alternativa a las baterías de iones de litio, pero los productos comerciales siguen siendo inviables por ahora. Su costo es quizás la razón principal por la que la industria no lo ha adoptado todavía. A más de 60.000 dólares por tonelada métrica, el grafeno actualmente sólo se utiliza en cantidades muy pequeñas. Ford, por ejemplo, utiliza trazas del material en motores y sistemas de combustible para reducir el ruido y resistir el calor.

Sí, las baterías de iones de litio se producen actualmente de manera ambientalmente insostenible debido a una minería poco ética, bajas tasas de reciclaje y otros factores.

Las baterías de iones de litio suelen durar media década o entre 800 y 1000 ciclos de carga, después de lo cual es posible que notes una degradación significativa del rendimiento.

Sí, las baterías modernas de iones de litio son relativamente seguras siempre que no las perfore y las mantenga a temperaturas de funcionamiento seguras.

Sí, las baterías de iones de litio contienen metales valiosos como el cobalto y el níquel que pueden extraerse durante el reciclaje. Sin embargo, es necesario manipularlos adecuadamente, por lo que se requiere muy poco esfuerzo para reciclarlos.