La esperada mejoría de las baterías está a la vuelta de la esquina

Las baterías que propulsan nuestro mundo moderno --desde teléfonos hasta drones y automóviles eléctricos-- pronto experimentarán algo que no se ha escuchado en años: su capacidad para almacenar energía eléctrica aumentará en porcentajes de dos dígitos, de acuerdo con investigadores, desarrolladores y fabricantes.

La próxima generación de baterías, que se esperan desde hace mucho sean lanzadas al mercado, está lista para su comercialización. Esto significará, entre otras cosas, teléfonos con un rango de duración de batería de 10 a 30% mayor, o teléfonos con la misma duración de batería pero más rápidos, más ligeros o con pantallas más brillantes. Veremos más dispositivos portátiles conectados a los celulares.

A medida que esta tecnología se generalice, los fabricantes de vehículos eléctricos y baterías de almacenamiento de energía domésticas podrán reducir miles de dólares a sus precios en los próximos cinco a 10 años. Los fabricantes de aeronaves eléctricas también podrán explorar nuevos diseños.

Hay un límite en cuanto a qué tan lejos nos pueden llevar las baterías de iones de litio; sorprendentemente, es aproximadamente el doble de su capacidad actual. Las pequeñas mejoras porcentuales de un solo dígito que vemos año tras año normalmente se deben a la optimización de su proceso de fabricación, como los pequeños ajustes en su química o nuevas técnicas para llenar las celdas de la batería con electrolitos ricos en litio. El futuro es un cambio más fundamental en los materiales que componen las baterías.

Primero, algo de ciencia: cada batería de iones de litio tiene un ánodo (polo positivo) y un cátodo (polo negativo). Los iones de litio que viajan entre ellos generan la corriente eléctrica que alimenta nuestros dispositivos. Cuando una batería está completamente cargada, el ánodo ha absorbido los iones de litio como esponja. A medida que éste se descarga, esos iones viajan a través del electrolito con dirección al cátodo.

Por lo general, los ánodos de las baterías de iones de litio están hechos de grafito, que es el carbono en su forma cristalina. Mientras que los ánodos de grafito contienen una cantidad sustancial de iones de litio, desde hace mucho tiempo los investigadores saben que un material diferente, el silicio, puede contener hasta 25 veces más de esos iones.

El problema es que el silicio implica innumerables desafíos técnicos. Por ejemplo, un ánodo de silicio puro absorberá tantos iones de litio que se “pulverizaría” con una sola carga, dijo George Crabtree, director de Joint Center for Energy Storage Research, establecido por el Departamento de Energía de Estados Unidos en el laboratorio University of Chicago, Argonne, para acelerar la investigación sobre las baterías.

Los actuales ánodos de las baterías pueden contener pequeñas cantidades de silicio, lo que aumenta ligeramente su rendimiento. La cantidad de silicio en la batería de una compañía es un secreto comercial, pero el Dr. Crabtree estima que en cualquier batería, el silicio es como máximo 10% del ánodo. En 2015, Elon Musk reveló que el silicio en las baterías fabricadas por Panasonic del modelo S de Tesla ayudó a aumentar el alcance del automóvil en 6%.

Ahora, algunas empresas de reciente creación han dicho estar desarrollando baterías listas para su producción con ánodos que son de silicio en su mayoría. Sila Nanotechnologies, Angstron Materials, Enovix y Enevate, por nombrar algunas, ofrecen materiales para las llamadas baterías de litio y silicio, que están siendo probadas por los fabricantes de baterías, compañías automotrices y empresas de la electrónica de consumo más grandes del mundo.

Para Sila, con sede en Alameda, California, el secreto son las nanopartículas con mucho espacio vacío en su interior. De esta forma, el litio se puede absorber en la partícula sin que el ánodo se hinche y se rompa, dijo Gene Berdichevsky, el director ejecutivo de Sila. Las celdas hechas con partículas de Sila podrían almacenar entre un 20 y hasta 40% más de energía, agregó.

Angstron Materials, en Dayton, Ohio, hace afirmaciones similares sobre sus nanopartículas para las baterías de iones de litio.

El Dr. Crabtree dijo que ésta estrategia es completamente plausible, aunque hay un pequeño inconveniente: para permitir que haya más espacio dentro del ánodo para los iones de litio, los fabricantes deben producir un ánodo más grande. Este ánodo ocupa más espacio en la batería, lo que deja un menor espacio en general para aumentar la capacidad. Esta es la razón por la cual el límite de la mayor densidad de energía usando ésta estrategia es de aproximadamente 40%.

El gran desafío, como siempre, es llevarla al mercado, dijo el Dr. Crabtree.

Los clientes de Sila incluyen a BMW y Amperex Technology Limited, uno de los fabricantes de baterías para la electrónica de consumo más grandes del mundo, incluidos el iPhone de Apple y el teléfono Samsung Galaxy S8.

Amperex, con sede en China, también es inversionista de Sila, pero el director de operaciones de Amperex, Joe Kit Chu Lam, dijo que su empresa está asegurando varios proveedores de las nanopartículas necesarias para producir baterías de litio-silicio. Tener múltiples proveedores es esencial para asegurar el volumen suficiente de materia prima, dijo.

Es probable que los primeros dispositivos comerciales de consumo que tengan baterías de litio-silicio con mayor capacidad se anuncien en los próximos dos años, dijo Lam, quien cree que un dispositivo portátil sería el primero. Otras compañías proclaman un calendario similar para el despliegue al consumidor.

Enevate produce ánodos completos de silicio dominante para fabricantes de automóviles. El presidente ejecutivo Robert Rango dijo que su tecnología aumenta la gama de los vehículos eléctricos 30% en comparación con las baterías de iones de litio convencionales.

Traducido por Luis Felipe Cedillo

Fecha de publicación: 16/04/2018

Christopher Mims