No hay que ser premio Nobel de Química para saber que fabricar una pila rudimentaria es bastante sencillo. Hasta un niño puede crear una armándose de un limón, un clavo galvanizado, una moneda de cobre y un par de cables. Se producen con ellos reacciones químicas entre los dos electrodos -el cátodo y el ánodo- y el electrolito de zumo de limón que se encuentra entre ellos, impulsando los electrones a través de los cables para encender, por ejemplo, una bombilla.
Otra cosa radicalmente distinta es crear una batería realmente buena, es decir, que contenga mucha energía en un tamaño reducido, sea económica de producir, resista una década de ciclos de carga sin degradarse ni incendiarse, funcione tanto con frío como con calor extremos y se pueda reacondicionar o reciclar fácilmente.
Desarrollar baterías como las que emplea un coche eléctrico es un trabajo tan delicado de química e ingeniería que normalmente requiere décadas de investigación para lograr el resultado deseado. “Es como una sinfonía. Todo tiene que funcionar en perfecta armonía”, lo sintetiza Jagjit Nanda, científico de materiales y director del Centro de Baterías SLAC-Stanford en Menlo Park (California), en declaraciones que recoge la web Yale Enviroment 360, de la Escuela de Medio Ambiente de dicha universidad.
A día de hoy, las baterías de iones de litio continúan siendo el estándar para el almacenamiento energético ligero y de alta potencia, y se utilizan tanto en vehículos eléctricos como en teléfonos, ordenadores o drones. Su desarrollo comercial comenzó en 1991, después de años de investigación impulsados en parte por la crisis del petróleo de la década de 1970. El litio resultaba una opción atractiva por ser el metal más ligero de la tabla periódica, pero la innovación decisiva consistió en diseñar electrodos capaces de alojar sus iones de manera segura y eficiente entre sus capas atómicas.
Desde entonces, la tecnología ha mejorado de forma gradual. La modificación de los electrodos, la incorporación de pequeñas cantidades de otros elementos, el ajuste de las interfaces y los cambios en la arquitectura de las celdas han permitido triplicar la densidad energética y reducir los precios hasta 100 veces. Aunque estas mejoras acabarán llegando a un límite, ese momento parece no haber llegado todavía.
Hace una década, la mayoría de las baterías para modelos eléctricos utilizaban níquel, manganeso y cobalto (NMC). Ofrecían una elevada densidad energética, pero dependían de materiales costosos y de cadenas de suministro limitadas. En los últimos años han ganado terreno las baterías de fosfato de hierro y litio, conocidas como LFP, que son más económicas, contienen menos metales críticos y han logrado aproximarse al rendimiento de las NMC.
Aunque una celda LFP almacena menos energía, su mayor estabilidad térmica permite agrupar las celdas más cerca unas de otras, compensando en parte esta desventaja. Además, las innovaciones en la arquitectura de las baterías han acelerado la carga, hasta el punto de que algunos modelos pueden recargarse en unos 10 minutos.
El problema, en uno y otro caso, es que la extracción de litio resulta difícil, puede requerir grandes estanques de evaporación y depende de un número reducido de yacimientos y centros de procesamiento, y la combinación de una oferta concentrada y una demanda creciente puede provocar subidas de precios y tensiones en las cadenas de suministro.
Fuera de las baterías de estado sólido o semisólido, a las que ya dedicamos hace poco un artículo, una de las principales alternativas al litio es el sodio, cuyo comportamiento electroquímico es similar y que no solo resulta más fácil de obtener sino que además puede incorporarse parcialmente a procesos de fabricación ya conocidos. Además, las baterías de iones de sodio mantienen un buen rendimiento a temperaturas muy bajas, que son -como se sabe- su principal enemigo.
Químicas que coexistirán
No obstante, los iones de sodio son más grandes y pesados que los de litio, por lo que estas baterías suelen necesitar más volumen y masa para almacenar la misma cantidad de energía. Su densidad energética continúa siendo inferior a la de las baterías de litio más avanzadas, lo que limita su competitividad en vehículos para los que la autonomía y el peso sean factores determinantes.
En todo caso, esta diferencia se está reduciendo. CATL asegura que su batería de sodio Naxtra alcanza una densidad energética de hasta 175 vatios-hora por kilogramo. Integrada mediante una arquitectura cell-to-pack, permitiría superar los 400 kilómetros de autonomía en un vehículo 100% eléctrico. La compañía prevé que, a medida que maduren la tecnología y su cadena de suministro, puedan alcanzarse autonomías de entre 500 y 600 km.
El comportamiento a bajas temperaturas puede ser una de sus principales ventajas competitivas. Según CATL, la batería conserva más del 90 % de su capacidad a -40 °C y puede seguir suministrando potencia a temperaturas todavía inferiores. Aunque estas prestaciones deberán contrastarse en condiciones reales y mediante evaluaciones independientes, muestran que el sodio podría resultar especialmente útil en regiones muy frías, donde las baterías de litio pierden capacidad y potencia.
China está trasladando desde hace tiempo esta tecnología de la investigación y las pequeñas series a una fabricación comercial ordinaria. CATL y la marca Changan presentaron en febrero de este año el que describen como el primer turismo con batería de sodio destinado a la producción en serie. La firma de baterías tiene previsto suministrar estas baterías a distintas marcas del grupo Changan y calcula que entre 10.000 y 20.000 vehículos eléctricos emplearán este tipo de dispositivos ya durante 2026.
La autora del artículo de Yale, Nicola Jones, indica que el sodio no parece destinado a sustituir a las baterías LFP a corto plazo, sino a complementarlas. Su implantación inicial podría concentrarse en vehículos urbanos, modelos de autonomía media, flotas, vehículos comerciales, sistemas de intercambio de baterías y lugares de inviernos severos.
La evolución de los precios de las materias primas también será crucial. Cuando el litio es barato, las ventajas económicas del sodio se reducen, ya que las baterías LFP se benefician de una cadena de suministro ampliamente desarrollada. Pero cuando el precio del litio aumenta, el sodio gana competitividad. La coexistencia de ambas químicas podría contribuir, por lo demás, a diversificar los materiales utilizados y a hacer el mercado más resistente frente a interrupciones o escasez.
Más allá del litio y el sodio, la investigación en baterías explora una amplia variedad de opciones. Las de flujo, por ejemplo, utilizan grandes depósitos de electrolitos líquidos y pueden ser útiles para la red eléctrica, donde el espacio y el peso importan menos. También se estudian sistemas basados en magnesio, calcio, aluminio o cinc. Algunas propuestas eliminan el ánodo durante el proceso de fabricación para reducir peso y aumentar la densidad energética. Otras se centran en moléculas orgánicas capaces de almacenar energía solar en enlaces químicos y liberarla cuando es necesario.
Las baterías de litio-azufre proporcionan una densidad energética potencialmente muy superior y utilizan materiales relativamente baratos, pero presentan problemas de durabilidad, pérdida de material activo y cambios de volumen durante los ciclos de carga y descarga. Todavía no existe, por tanto, un producto comercial viable que use esta tecnología.
Progresos graduales
Más ambiciosas son las baterías de litio-aire, que pretenden utilizar oxígeno del entorno como reactivo y evitar así transportar permanentemente parte del material necesario para generar electricidad. Su desarrollo es extremadamente complejo, debido a la inestabilidad de las reacciones, la sensibilidad al aire y la limitada vida útil alcanzada hasta ahora. A largo plazo, podrían resultar útiles en aplicaciones que necesiten sistemas especialmente ligeros y potentes, como determinados tipos de aviación eléctrica.
Ninguna de estas tecnologías avanzará de manera repentina, escribe Jones. El progreso en baterías suele ser gradual y requiere largos periodos de experimentación, validación, certificación y escalado industrial, porque una celda que funciona correctamente en un laboratorio todavía debe superar pruebas de seguridad, fabricarse de forma homogénea en millones de unidades e integrarse en sistemas completos a un coste que resulte competitivo.
La inteligencia artificial, cómo no, puede acelerar la identificación de materiales prometedores -prosigue el artículo-, predecir algunas de sus propiedades y orientar los ensayos, pero no elimina la necesidad de investigación física: los materiales deben sintetizarse, probarse durante miles de ciclos y evaluarse bajo distintas condiciones de temperatura, carga y uso.
También será necesario mejorar la sostenibilidad de todo el ciclo de vida. Las investigaciones buscan sustituir los disolventes tóxicos utilizados en la fabricación, reducir el consumo de energía de las plantas, reutilizar las baterías parcialmente degradadas en viviendas o redes eléctricas y ampliar la capacidad de reciclaje.
Dado que la vida media de un automóvil ronda los 15 años, al menos en España, y que el auge del vehículo eléctrico comenzó alrededor de 2020, hacia 2035 llegará al final de su vida útil una cantidad muy elevada de baterías. Sin embargo, no todas se convertirán inmediatamente en residuos; algunas podrán repararse, reacondicionarse o utilizarse en aplicaciones estacionarias menos exigentes antes de pasar al reciclaje.
Si no se gestionan correctamente, las baterías fuera de uso pueden provocar incendios y liberar sustancias contaminantes. La solución dependerá tanto de la regulación como de la viabilidad económica de la recogida, la reutilización y la recuperación de materiales. El diseño de las baterías será igualmente importante, ya que los paquetes difíciles de desmontar o formados por componentes unidos de manera inseparable encarecen la reparación y el reciclaje.
Existen, sin embargo, precedentes positivos. Las baterías de plomo-ácido se encuentran entre los productos más reciclados del mundo. Con normas adecuadas, sistemas de responsabilidad estrictos, infraestructura suficiente y materiales que conserven valor, también podría consolidarse una industria de reparación, reutilización y reciclaje para las baterías de los coches eléctricos.
El artículo concluye que las baterías de litio continúan dominando el mercado y las LFP han ganado cuota gracias a su coste y seguridad, mientras que las químicas con níquel mantienen ventajas en aplicaciones que requieren más densidad energética. Para 2035, el litio probablemente seguirá siendo mayoritario, mientras que el sodio podría haber conquistado una cuota relevante en vehículos de autonomía media y climas fríos.
Entre tanto, otras tecnologías atenderán nichos específicos si consiguen superar sus limitaciones técnicas y económicas. Más que una única batería llamada a dominar todos los usos, el futuro parece encaminarse hacia un sistema diversificado de químicas y diseños adaptados a necesidades diferentes.
