¿Podrán fabricarse baterías que no se degraden con el uso?

Las baterías se han convertido en uno de los dispositivos indispensables en nuestro día a día. Las utilizamos para despertarnos, lavarnos los dientes, comunicarnos con nuestros allegados, escuchar música mientras hacemos deporte, para jugar a un videojuego mientras esperamos al autobús, para trabajar desde nuestro ordenador portátil o para desplazarnos en patinete.

Prácticamente pasan desapercibidas a lo largo del día, pero ahí están, dándonos cobertura energética y muchos disgustos cuando se agotan. Probablemente no hayamos caído en la cuenta, pero una persona que viva en un país desarrollado puede necesitar varias decenas de baterías en su vida diaria. Sólo en la Unión Europea entran más de 200 toneladas de baterías al día para su uso en dispositivos electrónicos. Si incluimos otras aplicaciones como la industrial o automoción, esta cifra supera el millón de toneladas al año.

Aún más baterías

El uso de esta tecnología de almacenamiento de energía, basado en la electroquímica, experimentó un fuerte crecimiento acompañado por el desarrollo de la electrónica de consumo. Sin embargo, su crecimiento será aún mayor en los próximos años, ya que está llamada a liderar el nuevo cambio del paradigma energético y de movilidad.

Las baterías nos permitirán almacenar la energía obtenida de fuentes renovables y utilizarla cuando no se pueda producir y son un órgano indispensable en los coches eléctricos.

En términos de demanda de energía mundial, se espera que en 2030 se llegue a los 2 600 GWh. En definitiva, en esta década vamos a necesitar más baterías, con mayor capacidad de almacenamiento, más rápidas de cargar y, también, más duraderas.

En este sentido, uno de los problemas más acuciantes de las baterías es su durabilidad. De hecho, todos hemos experimentado alguna vez la pérdida paulatina de la capacidad de algún dispositivo electrónico portátil, como nuestro teléfono móvil. Esta suele presentarse como una pérdida de autonomía (duración). Este fenómeno, además, se agrava con el paso del tiempo. Para entender cómo se produce la degradación de las baterías, debemos entender cómo funcionan.

Funcionamiento de las baterías de ion de litio

Una batería de ion de litio está compuesta por un conjunto de celdas apiladas de forma prismática o cilíndrica. Cada celda está compuesta a su vez por dos electrodos (uno negativo y otro positivo), separados por una membrana y un electrolito, que es una solución por donde los iones se mueven hasta los electrodos durante los procesos de carga y descarga de la batería. Además, los electrodos están conectados a unos conductores electrónicos (colectores de corrientes) por los que circulan los electrones.

El ánodo está compuesto por grafito, mientras que el cátodo suele ser de grafito con litio y un compuesto metálico, como el NMC (una combinación de níquel, manganeso y cobalto).

Durante el proceso de carga, los iones de litio se insertan en el ánodo, mientras que cuando usamos la batería (activa o pasivamente), estos iones se dirigen al cátodo. Por tanto, en una batería siempre se está produciendo un flujo de especies y electrones de un lado para otro. Como veremos a continuación, este movimiento tiene sus consecuencias sobre la celda, provocando su deterioro.

¿Por qué se degradan las baterías?

Los viajes que realizan los iones de litio a través del electrolito, la membrana y, sobre todo, los electrodos, implican muchos fenómenos que terminan por degradar estos componentes y, finalmente, la batería.

El primero de ellos se conoce como formación de electrolito sólido. En el proceso de carga y descarga, los iones de litio se van insertando en los electrodos. Esto se conoce como intercalación. Cuando los electrodos están llenos, los iones que no consiguen entrar reaccionan con el grafito de la superficie, dando lugar a una capa blanquecina que, como su nombre indica, es una solidificación del electrolito.

Este proceso suele ocurrir desde la primera carga de la batería y es responsable de una pérdida del 10 % de su capacidad, ya que esta capa actúa como una especie de barrera para la difusión de los iones.

El fenómeno se acrecienta con el aumento de la temperatura de la batería y puede dar lugar también a la conocida como fuga térmica, una serie de reacciones en cadena que desprenden calor y que son muy difíciles de detener.

Con respecto a los electrodos, por definición, el positivo es el que tiene el mayor potencial. En el caso de las baterías de iones de litio, el cátodo es el positivo y el ánodo el negativo. En los electrodos también se produce una deposición de litio metálico en la superficie del ánodo. Esto ocurre a bajas temperaturas y altos niveles de corriente (como en las cargas rápidas).

La intercalación y desintercalación de los iones también provocan cambios estructurales importantes en los electrodos. Se producen unas tensiones internas en el material que terminan con el agrietamiento de los electrodos y, por tanto, la pérdida de capacidad de almacenamiento. Además, pueden aparecer nuevas superficies donde pueden darse los dos fenómenos anteriores, agravando aún más el problema.

Además de los anteriores, hay otros fenómenos, como la oxidación, la descomposición del electrolito o el ataque ácido, que hacen que se degraden tanto los electrodos como el electrolito. Todos ellos se agravan tanto por el uso como por la temperatura o la velocidad de carga.

¿Podemos evitar su deterioro?

Una vez que hemos identificado cuáles son los mecanismos de degradación de las baterías, podemos monitorizar su estado de salud. Además de controlar los aspectos anteriores, es posible introducir agentes que, bien de manera autónoma o impulsada por un precursor, comiencen un proceso de sanado de la batería.

Al igual que la sangre nos cura las heridas, es posible manipular los materiales para incorporar mecanismos de autorreparación. Precisamente, esta línea de trabajo es una de las principales propuestas de la nueva estrategia europea de baterías y se propone el uso de agentes reparadores microencapsulados, nanotubos de carbono o carbono activo para arreglar las grietas.

Para que el proceso de autorreparación se inicie en el momento adecuado, será imprescindible monitorizar bien el estado de salud de las baterías. Para ello, se puede emplear, por ejemplo, la fibra óptica. Además, es esencial proteger mejor los componentes. Esto se puede realizar mediante materiales bidimensionales, como el grafeno, que ejercerán una defensa interna pasiva, minimizando el deterioro.

En definitiva, gracias a la nanotecnología, existen diversas rutas que se están explorando en la actualidad para poder mejorar considerablemente la salud de las baterías. Por tanto, será posible en un plazo razonable de tiempo disponer de dispositivos con mayor durabilidad.

Nuestro problema será entonces otro: tendremos que buscar materiales de fabricación alternativos, más sostenibles, para no replicar la dependencia de los combustibles fósiles. En este sentido, se barajan nuevas tecnologías como las baterías de sodio, electrodos de silicio o de doble grafito de origen reciclado.

Francisco Montero Chacón recibe fondos de la Junta de Andalucía (PY-18-RE-0023) para el desarrollo de una plataforma de simulación de baterías de doble grafito.