Cuáles son los materiales que están en carrera para reemplazar al litio en las baterías

La utilización de elementos como el litio, el cobalto y níquel para la fabricación de baterías supone una dependencia de materiales escasos (y, por lo tanto, caros), tóxicos y cuya extracción y procesamiento causa numerosos problemas ambientales; hacen falta dos millones de litros de agua para extraer 1000 kilos de litio. Los investigadores buscan con urgencia sustitutos que sean abundantes, renovables, biodegradables, seguros y de bajo coste e impacto ambiental. La solución puede estar cerca: el sodio y el calcio, dos elementos abundantes con los que se investiga para evitar que la demanda de litio se multiplique por 60 en dos décadas, según las previsiones de la UE.

A la imparable proliferación de dispositivos domésticos y portátiles se suman los dos mayores desafíos: la electrificación de la movilidad y el almacenamiento de las energías renovables para disponer de corriente de forma continua. “No hay suficientes iones de litio, cobalto y níquel para satisfacer las necesidades de todos”, afirma John Abou-Rjeily, investigador de la empresa Tiamat Energy, surgida del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS).

Este doctor en Física y Química de los Materiales investiga, según publica Horizon, como alternativa el sodio, uno de los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre y cuyo procesamiento y uso es, a diferencia del litio, más seguro y barato. Por el contrario, necesita más volumen, por los que los desarrollos actuales aún no son adecuados para pequeños dispositivos.

Tampoco pueden competir con el alcance que aportan los sistemas de almacenamiento actuales a los coches eléctricos. Pero podrían servir para alternativas en trayectos más cortos, los mayoritarios. “Si bien nunca desafiaría el alcance de 500 kilómetros de las baterías de iones de litio, este tipo de iones de sodio podría ser más competitivo para tramos más pequeños. Podrían ser más baratos para distancias cortas y medias en coche, explica Abou-Rjeily.

En la misma línea se encuentran los investigadores de las universidades Chalmers de Tecnología (Suecia) y Delaware (Estados Unidos), según un estudio publicado en Energy. “Hay una tendencia a demandar una batería realmente grande. Pero según las investigaciones, generalmente, es suficiente una un poco más pequeña, con menor alcance que el de un tanque de gasolina, ya que el único momento en que necesitaría una autonomía mayor es para un viaje de seis horas o más, en cuyo caso, el conductor podría cargar sobre la marcha. Se hace demasiado hincapié en la necesidad de una autonomía realmente larga y esto conduce a un aumento del precio del vehículo y a un mayor uso de los recursos para los coches eléctricos”, comenta Frances Sprei, profesor de Chalmers.

Para este doctor en Energía y Media Ambiente, es necesario este cambio de mentalidad para adecuar las instalaciones de carga donde las personas pasan más tiempo: en casa y en el trabajo. Sprei lamenta que, por el contrario, muchos países europeos se centran en la red de recarga en carreteras y vías.

Esta simple modificación de la percepción de las necesidades impulsaría aún más al sodio como alternativa, ya que permitiría desplegarlas en hogares y centros de trabajo como sistemas de almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables. En este sentido trabaja Magdalena Graczyk-Zajac, profesora de la Universidad Técnica de Darmstadt en Alemania, e integrante del proyecto europeo SIMBA, que concluye su primera fase el próximo junio.

La investigadora apuesta por almacenar la energía capturada por los paneles fotovoltaicos de los hogares en una batería doméstica recargable de iones de sodio. Esta alimentaría las casas y cargaría los vehículos eléctricos de sus moradores con una significativa reducción de costes. “Se podría conducir el coche gratis durante ocho o nueve meses al año”, asegura. El prototipo ya está en pruebas de laboratorio.

Una parte, el ánodo, está hecha de carbono duro, que se puede obtener a partir de madera u otros residuos biológicos. Para el cátodo se prueba con blanco de Prusia, un compuesto químico procedente de un pigmento azul del mismo nombre, pero con más sodio y rico en hierro, uno de los metales más abundantes.

El centro de investigación vasco CIC energiGUNE, cuenta con su propio desarrollo en este ámbito: un ánodo metálico de sodio con un espesor de tan solo siete micras (70 veces más fino que los actuales) conseguido a través de un proceso de evaporación física. “Este avance”, según este centro, “abre la puerta a la fabricación de baterías flexibles de estado sólido con el ánodo delgado de sodio, una alternativa más segura, económica y de menores dimensiones a las actuales baterías con electrolito líquido en las que se emplea grafito”.

“El sodio no se puede laminar con facilidad debido a su textura pegajosa, parecida a la plastilina”, explica Montse Galcerán, investigadora principal de este proyecto a CIC energiGUNE. “Hasta la fecha, el método más común que se usaba para laminar un bloque de sodio era tan básico como procesarlo con un martillo, pero eso provocaba que no se pudiera obtener una lámina fina y homogénea, y, por tanto, hubiera un gran exceso de sodio inutilizado en las baterías. Gracias a la evaporación, hemos logrado superar ese obstáculo”, asegura.

Este adelgazamiento del ánodo permite reducir la cantidad de sodio necesaria, y los costes, el peso y las dimensiones de las baterías, mientras aumenta de la densidad de energía (mayor capacidad de acumulación) y la seguridad.

Otro elemento con el que se trabaja como sustituto del litio es el calcio. “Es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre y no se concentra en áreas geográficas específicas, como ocurre con el litio. Si la materia prima es barata, también las baterías pueden serlo”, sostiene Rosa Palacín, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) e integrante del proyecto CARBAT a Horizon.

Utilizar calcio como electrodo negativo ofrece ventajas frente al grafito de las baterías de iones de litio, ya que posee una capacidad de acumulación por kilogramo (densidad de energía) superior a las baterías convencionales de litio que, además, forman diminutas estructuras rígidas denominadas dendritas y pueden provocar cortocircuitos o explotar tras muchos usos, según explica la entidad.

“Cuando el calcio atraviesa el electrolito, dos electrones fluyen al exterior, en lugar de uno, como en el caso del litio. Cabe suponer que una batería del mismo tamaño ofrecería una autonomía mayor si se utiliza en un vehículo eléctrico, siempre que se encuentre un electrodo positivo adecuado”, explica Palacín.

La clave es la elección de los componentes más adecuados. “Parece que, finalmente, todas las sales de electrolitos que funcionan contienen boro. Utilizamos tetrafluoroborato de calcio disuelto en una mezcla de etileno y carbonato de propileno”, precisa la investigadora.

Otros investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca buscan, en el proyecto SALBAGE, una batería a partir de un ánodo de aluminio y un cátodo de azufre. El aluminio es incluso más abundante que el calcio, pero incorporarlo a una batería plantea dificultades similares.

“Todos los materiales empleados son baratos. El aluminio, el azufre, el propio electrolito y la urea son muy, muy baratos. Incluso el polímero lo es”, asegura el investigador de la universidad danesa Juan Lastra, quien defiende esta opción para almacenar energía de un parque eólico o solar.