En otoño de 2021, la 26ª Conferencia de las Partes sobre el Cambio Climático (COP 26) se reunió en Glasgow para elaborar acuerdos destinados a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y evitar el cambio climático extra. La COP 26 se basó en el Acuerdo de París para limitar el calentamiento global a menos de 2 grados centígrados, logrando emisiones netas de cero dióxido de carbono (CO2). Estos dos acuerdos definirán el modo en el que los gobiernos y las industrias trabajen juntos para reducir el cambio climático en la próxima década.

Un acuerdo clave del Pacto de Glasgow por el clima exige que las naciones “aceleren el desarrollo, la implementación y la difusión de tecnologías, así como la adopción de políticas, para hacer la transición a los sistemas energéticos de bajas emisiones “ampliando a escala rápidamente la implementación de una generación limpia y medidas de eficiencia energética.” Equilibrar esta priorización de la energía limpia es un requisito para acelerar los “esfuerzos hacia la reducción progresiva de la electricidad producida por carbón en forma constante y la eliminación de los subsidios a los fósiles ineficientes.” Este pacto constituye la primera mención explícita del carbón y del combustible fósil en cualquier acuerdo climático de las Naciones Unidas.

Existen muchas estrategias complementarias para reducir las emisiones de dióxido de carbono. Los expertos en materia de clima recomiendan maximizar nuestros esfuerzos centrándonos en la adopción de fuentes de energía renovables y mayor eficiencia del transporte. El análisis económico de las Naciones Unidas posiciona las baterías de litio-ión como estrategia fuerte de mitigación en los sectores de la energía y el transporte.

Si bien las baterías de litio-ión en sí no producen energía, constituyen una solución eficiente de almacenamiento para fortalecer los sistemas de energía verde. La variabilidad es una gran desventaja de la energía renovable solar y eólica. Estas baterías pueden almacenar energía de estas fuentes y subsanar las brechas en la distribución energética, lo que aumenta la fiabilidad de la energía verde y la capacidad de generación de electricidad.

A pesar de que Sony presentó las baterías de litio-ión para productos electrónicos en 1991, estas baterías cada vez son más conocidas por su energía verde en el transporte. Los automóviles eléctricos de pasajeros equipados con baterías de li-ion reducen las emisiones de gases de efecto invernadero unos dos tercios, en comparación con los automóviles a gasolina (siempre que la generación eléctrica de la fuente a la rueda provenga de fuentes renovables). Los automóviles eléctricos no son los únicos vehículos que adoptan las baterías de li-ion, “las bicicletas, los scooters, los coches, los autobuses, los cambiones e incluso los ferries” funcionan cada vez más con baterías, y la aviación y el transporte marítimo también están empezando a avanzar, según las Naciones Unidas. Mientras que los camiones y autobuses urbanos eléctricos se vuelven comunes, los vehículos eléctricos pesados y de larga distancia están fuera del alcance. Las baterías li-ion no brindan la densidad energética necesaria para competir con el costo y la eficiencia del gas para camiones y autobuses de carga de larga distancia.

Los científicos que trabajan on baterías deben prepararse para el aumento de la demanda de baterías de Li-ion para vehículos eléctricos y almacenamiento de energía verde. Estos ámbitos exigen capacidades únicas de las baterías de Li-ion que los desarrolladores deben tomar en cuenta.

Requisitos de batería para vehículos eléctricos (EV) y transporte

¿Qué factor inclinaría más a un comprador de coches a pasar de la gasolina a la electricidad? Los fabricantes de vehículos concuerdan: el tiempo de marcha es el factor más importante para las baterías de litio-ion de los vehículos. Los EV pueden dominar el mercado si necesitan menos pausas para cargar que las de gasolina de su competencia. Además, las baterías de li-ion con tiempos de funcionamiento largos facilitan la adopción de autobuses, camiones de carga y aviones eléctricos.

La seguridad es otro tema mayor para los vehículos eléctricos, en especial después de los incendios de las baterías de GM y Tesla. GM retiró sus baterías Chevy Bolt tras varios incendios, pero el problema es una cuestión de control de calidad, y no una falla inherente al diseño de la batería ni su capacidad. Tesla afirma que sus baterías son totalmente seguras, y la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en Carreteras de los Estados Unidos coincidió en que no había motivo de preocupación. La vida útil es uno de los principales problemas porque los consumidores esperan que sus vehículos eléctricos duren años, o décadas, como los vehículos a gas. Por lo tanto, las baterías de los EV necesitan un ciclo de vida útil prolongado, o la capacidad de descargarse y cargarse varias veces antes de que decaiga su desempeño.

La potencia, o la capacidad de gastar energía rápidamente, es una inquietud secundaria para el vehículo eléctrico promedio. Un conductor necesita potencia para acelerar rápidamente y evitar accidentes, pero esta aceleración no exige una potencia exorbitante de la batería li-ion. Sin embargo, los coches de carrera son un ejemplo específico de EV que necesita más potencia para máxima aceleración. La densidad energética tampoco es una prioridad para los EV porque las baterías de li-ion actuales ya son livianas para el coche promedio. La densidad energética es más importante para los avances en las aeronaves eléctricas. Del mismo modo, el costo no es el principal ámbito de innovación en la actualidad. Las baterías de li-ion para vehículos eléctricos ya han progresado mucho al lograr costos al alcance del usuario. Si bien es cierto que un costo menor hará que los EV estén disponibles para más compradores, los productores se preocupan más por la calidad y seguridad de la batería, aunque el precio sea mayor.

Requisitos de batería para almacenamiento de energía en la red

Aunque los EV reciben toda la atención en lo relativo a las baterías de litio-ion, las fuentes de energía renovables exigen el almacenamiento en la red para subsanar las brechas, como se explicó antes. Actualmente, diversas tecnologías de batería están en análisis, pero la tecnología de litio-ion es el competidor líder. Un motivo de ello es que el almacenamiento de la energía verde suele exigir cargar la batería y descargarla todos los días, por lo que la vida útil es el factor más importante para esta aplicación. Sin un ciclo de vida largo, tener que cambiar la batería con frecuencia no compensa el costo ni la mano de obra de instalación. Otro punto es que las baterías de li-ion deben ser seguras. Las nuevas soluciones energéticas deben ser más seguras que las de sus predecesores para satisfacer a los gobiernos y consumidores. Después de la seguridad, el costo es un aspecto esencial. También en este caso los productores de energía buscan mejores soluciones y no suelen invertir en equipos que cuestan más que sus sistemas actuales de combustibles fósiles.

La potencia, el tiempo de funcionamiento y la densidad energética son factores menos importantes para el almacenamiento de energía verde. Estas baterías no necesitan alta potencia para liberar energía rápidamente: un flujo constante es suficiente para que los hogares sigan funcionando. Tampoco necesitan tiempos de trabajo muy largos porque suelen funcionar unos días como máximo hasta que la energía solar o eólica vuelva a brindar electricidad. Por último, las baterías no deben ser especialmente compactas ni con densidad energética, ya que se las utilizará en plantas eléctricas y no en las casas de los consumidores ni en dispositivos portátiles. Los productores de energía pueden aumentar el almacenamiento combinando múltiples baterías, sin necesidad de contar con una sola, súper densa.

Cuando optimizan sus diseños para aplicaciones específicas (p. ej., productos electrónicos, EV, almacenamiento en la red), deben poder elegir materiales que tengan el mejor tiempo de ejecución, vida útil, potencia y densidad energética, al tiempo que verifican su seguridad en diferentes condiciones. El aspecto multivariable del desarrollo y la selección de materiales significa que el desarrollo de la batería depende mucho de la I&D química y de los materiales. De hecho, un estudio reciente del Massachusetts Institute of Technology (MIT) llegó a la conclusión de que más del 50% de la reducción del costo del 97% de la batería de litio-ion se debe a que se atribuye el nacimiento de la tecnología a la I&D científica de química y materiales. De esta forma, la I&D de materiales es fundamental para el éxito de las baterías de litio-ion y significa que la caracterización analítica de los materiales que comprenden los principales componentes de la batería para sus propiedades térmicas, reológicas y moleculares pueden traducirse en baterías de mejor desempeño y mayor seguridad.

Por ejemplo, una característica crítica del material que puede haber observado al utilizar su notebook o levantar el teléfono después de cargarlo es que las baterías de litio-ion tienden a calentarse. Este calentamiento y enfriamiento de las baterías en operación significa que los materiales de la batería deben caracterizarse por análisis térmico para los parámetros tales como el punto de fusión y la temperatura de descomposición, para que la batería trabaje de forma segura. Además, la fabricación de la batería implica una mezcla de partículas sólidas, aglutinante y solvente que experimentan todo un abanico de deformaciones durante el almacenamiento, la mezcla, el recubrimiento, y el secado. La reología, el estudio del flujo y la deformación de los materiales, les permite a los investigadores entender la formación de lodo de la batería, el almacenamiento y el asentamiento de partículas durante estas etapas del proceso de fabricación.

Si desea explorar de qué forma el análisis térmico y la reología pueden respaldar su investigación de materiales de batería, visite el sitio web de caracterización de materiales de baterías de TA Instruments para más información.