El futuro de las baterías

La Ley de Moore nos malacostumbró a esperar que la capacidad de un microprocesador se duplique cada 18 meses e incluso hemos visto que se aplica de forma similar a la capacidad de almacenamiento e incluso al ancho de banda. Cada vez tenemos productos electrónicos más rápidos, más pequeños y con más memoria. Sin embargo las baterías que utilizan estos productos están basadas en una tecnología con más de 20 años de antigüedad y sus mejoras han avanzado a un ritmo glacial. Pero hay signos esperanzadores que eso está pronto a cambiar.

Para empezar, el problema de las baterías tiene más de una arista. Primero tenemos el problema de la capacidad: Queremos baterías que sean capaces de almacenar más energía en el mismo espacio y ojalá en tamaños cada vez más pequeños, en otras palabras, queremos más vatios-hora por kilogramo (Wh/kg). También queremos que lleguen a su carga máxima en el menor tiempo posible. Luego queremos que las baterías sean cada vez más baratas para que, por ejemplo, los autos eléctricos o híbridos puedan costar lo mismo o menos que los autos a gasolina. Adicionalmente todas las baterías tienen una vida útil limitada ya que con cada ciclo de carga/descarga van perdiendo capacidad. Y finalmente tenemos los problemas térmicos donde las baterías se calientan con el uso, hasta incluso generar problemas de seguridad con baterías entrando en combustión. Lo que necesitamos hoy son baterías baratas, seguras, que se carguen a su capacidad máxima en pocos minutos, que aguanten miles de ciclos de carga y con una densidad que permita acumular mucha energía en el menor espacio posible.

La baterías de hoy

Las baterías más populares y avanzadas que encontramos hoy en nuestros artefactos son las baterías de Litio-Ion Polímero — algo que tiene muy contento a Argentina, Bolivia y Chile, ya que estos 3 países concentran en sus salares el 90% de las reservas mundiales de litio. Estas las podemos encontrar hoy en nuestros dispositivos electrónicos, autos eléctricos y hasta en el sistema de suministro eléctrico. Sin embargo las baterías de Li-Ion se empezaron a comercializar en 1991, por lo que llevamos usando prácticamente la misma tecnología hace más de dos décadas y sobre la cual todos podemos concordar que necesita una actualización de forma urgente.

Estas baterías que utilizamos hoy tienen una vida útil de 400 a 1200 ciclos de carga, y una capacidad de 100 a 250 Wh/kg. Finalmente tienen el problema de la velocidad de carga donde, por ejemplo, para un iPod en las primeras 2 horas cargas el 80% de capacidad y luego se demora 2 horas más en cargar el 20% restante.

Un problema acentuado especialmente cuando se aplica en automóviles eléctricos. El año pasado estuve manejando durante un par de semanas un Mitsubishi iMiEV y aunque la ruta que recorro diariamente no son más de 15 Kms, debía estar recargando su batería de Li-Ion cada 3 días. En el punto de recarga podía recargar el 50% de la capacidad en 15 minutos y luego debía pasar a un ciclo de carga mucho más lento que duraba hasta 8 horas ya que podía “degradar considerablemente” la capacidad de la batería, acortando rápidamente su vida útil, si continuaba con la carga rápida. Difícil va a ser convencer al mundo de cambiarse a autos eléctricos mientras las baterías carguen tan lento, sean tan caras y más encima deban ser reemplazadas a los pocos años.

Las baterías de mañana

Las desventajas de la tecnología actual están claras, así que empecemos a ver que esperanza hay en el futuro. Hay cuatro tecnologías que se ven promisorias: Litio-Ion Silicio, Litio-Ion 3D, Litio-aire y Zinc-aire.

Litio-Ion Silicio

Varios investigadores incluyendo el equipo del Dr. Yi Cui en la Universidad de Stanford han anunciado avances en reemplazar el ánodo en una batería de Li-Ion por uno cubierto en nanohilos de silicio en vez del grafito (carbono) utilizado hoy. El resultado son baterías de Li-Ion con una capacidad específica 10 veces superior a las baterías actuales. Tradicionalmente el problema de los ánodos de silicio era que durante la carga estos podían aumentar hasta 4 veces su tamaño, para luego volver a su dimensión original durante la descarga. Esto significa que después de pocos ciclos de carga el ánodo quedaba destruido resultando en una vida útil muy corta para la batería. Sin embargo los últimos avances en nanotubos de silicio de doble capa dan esperanza que finalmente este obstáculo haya sido superado con demostraciones de laboratorio sobre los 6.000 ciclos de carga, superando considerablemente la vida útil de las baterías actuales. Esto nos daría baterías con una capacidad 10 veces superior utilizando el mismo espacio, y una vida útil 6 a 12 veces superior a las actuales.

Litio-Ion 3D

La compañía Prieto Battery y su fundadora la Dra. Amy Prieto (sin relación), están trabajando en otra forma de reemplazar el ánodo de grafito en una batería Li-Ion con algo más eficiente. En su caso lo están reemplazado con ánodos de nanohilo de cobre. El resultado según ellos son baterías que funcionan en “3 dimensiones”, permitiendo un movimiento de los iones mucho más rápido, con uno de los beneficios siendo poder cargar al 100% la batería de un iPhone en 5 minutos con una fuente de electricidad de 240 volts. A esto hay que sumarle el beneficio de baterías más seguras y una vida útil teórica de más de 5.000 ciclos de carga.


Litio-Aire

Tanto IBM como PolyPlus, entre otros, están investigando las baterías de Litio-aire dónde utilizan el oxígeno atmosférico para modificar la estructura tradicional del cátodo. Esto resulta en baterías con una capacidad específica 10 veces superior a las actuales (lo que vendría siendo similar a la densidad energética de la gasolina en un auto), considerablemente más baratas y adicionalmente con un peso muy reducido. Apuntando principalmente al sector automotriz, prometen una autonomía sobre los 800 Km con una configuración similar a los autos eléctricos actuales. Sin embargo todavía queda el desafío de aumentar la vida útil de la batería y resolver los problemas de los contaminantes y humedad presentes en el oxigeno atmosférico, para lo cual ya existen varias soluciones teóricas con las cuales están experimentando.


Zinc-Aire

Similar a las baterías de Litio-aire, las baterías de Zinc-aire recargables han sido largamente sólo una promesa. Pero finalmente empresas como EOS Energy Storage en EEUU y ReVolt en Suiza prometen haber superado, al menos en el laboratorio, sus principales deficiencias incluyendo recargarlas de forma eficiente. La promesa son baterías mucho más baratas, seguras y con una vida útil superior a los 10.000 ciclos de carga (al menos en el caso de EOS). Su intención es resolver problemas de almacenamiento de energía en el sistema de suministro eléctrico, permitiendo capturar la energía intermitente que se obtiene de turbinas eólicas y paneles solares, eliminando el principal problema que declaran los detractores de estas energías renovables. Aunque ReVolt promete haber descubierto la forma de utilizar estas baterías también en automóviles y dispositivos electrónicos.

Sin importar cual de estas cuatro tecnologías salga finalmente del laboratorio a un uso real, los avances se ven promisorios. Los expertos concuerdan que el último desafío por superar es la manufactura a escala masiva de estas tecnologías. Al menos gobiernos e inversionistas privados están aportando grandes montos a que finalmente demos un gran salto en la evolución de las baterías. Lo mejor de todo es que varias de estas empresas proyectan tener estas soluciones en el mercado en un plazo que varía entre 2013 y 2015. A cruzar los dedos.

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