Las baterías de ión litio avanzadas

1. INTRODUCCIÓN

La densidad de energía .de la gasolina es de 13 kWh/kg, que corresponde a 1,7 kWh/kg de energía suministrada a las ruedas. Necesitamos que 1kg.de batería ión-litio tenga la misma energía que la gasolina, y nos transporte los mismos kms. en la carretera. Cuando lo logremos, ya no usaremos gasolina.

En estas páginas presentamos Calbattery, diseñada por Argonne National Laboratory (ANL), con ánodo compuesto silicio-grafeno. Esta pila experimental en octubre 2012 tenía una densidad de energía de 525 Wh/kg, un éxito, pues supone triplicar la densidad energética de la ión-litio comercial, con 100-180Wh/kg. Necesitamos aplicar a las ruedas del coche 1.700 Wh/kg. A este problema en inglés llaman battery bottleneck. Los cuellos de botella duran poco.

Leemos en Internet que la densidad de energía teórica de la pila litio-aire es de 12 kWh/kg. Hay confianza en que las de ión-litio de los próximos años alcanzarán esa cifra 12 kWh/kg, y podremos prescindir de la gasolina.

2. CALBATTERY

La nueva batería no es ningún milagro: Argonne National Laboratory, del Gobierno de EE.UU, comenzó a diseñarla en el año 2010, y su fabricación la confía en 2014 a una empresa privada Calbattery. Arrinconará a las demás baterías de ión litio, porque incluso los costes bajan 70% .

Sus diseñadores han logrado en alto grado las características básicas de la pila que nos enseñaron en el bachillerato: crear una pila mucho mejor que la presentada por Volta en Londres en 1800, que tenga alta densidad de energía y alta capacidad de carga. La pila ideal mantiene una diferencia de potencial constante entre sus dos terminales, independientemente del flujo de carga eléctrica que exista entre ellos. Su potencia en vatios (W) la obtenemos multiplicando su voltaje en voltios (V) por su intensidad en amperios (A).

La celda voltaica es un dispositivo, que convierte la energía química en energía eléctrica, por un proceso químico transitorio, y se agota. Sus elementos han quedado alterados al suministrar energía. Ahora pedimos a la pila que sea recargable, y le llamamos batería. Los elementos de la pila siguen siendo tres: el polo negativo, o ánodo, el polo positivo, o cátodo y el electrolito, que es una disolución conductora de la electricidad.

En una pila tradicional, hay de muchas clases, el cinc del electrodo ánodo se disuelve en la disolución de sulfato de cinc, la tensión de la disolución del cinc es mayor que la presión de los iones Zn++. El electrodo se disuelve emitiendo Zn++, y quedando cargado negativamente, proceso en el que se liberan electrones, y que recibe el nombre de oxidación.

El cobre del cátodo está sumergido en una disolución de sulfato de cobre. Los iones Cu++ del electrolito se depositan sobre el electrodo cobre, el cual queda cargado positivamente, mediante el proceso llamado reducción, que implica la incorporación de electrones.

En el circuito externo de la pila, entre electrodos, de carga, los electrones circulan del ánodo-cinc al cátodo-cobre. En el electrolito los iones ++ circulan del ánodo al cátodo, y cierran el circuito.

En la pìla ión litio, durante la descarga, los iones positivos se mueven, por un electrolito no acuoso, desde el electrodo negativo, generalmente grafito, y entran en el electrodo positivo, que contiene compuestos de litio. Durante la carga dela pila la dirección se invierte, y los iones de litio migran desde el electrodo positivo al electrodo negativo. El trabajo eléctrico se realiza, cuando los electrones fluyen por el circuito externo entre ambos electrodos.

El nombre de pila viene de apilar: colocar las celdas en serie, para lograr el voltaje que necesitamos. Batería indica celdas adosadas lateralmente, en paralelo.

La pila que Volta presentó a la Royal Society, de Londres en 1800 tenía electrodos de cinc y cobre, un electrolito de salmuera, y suministraba una tensión de 0,75 V. Hubo que crear una unidad de medida para el potencial, y le llamamos Voltio, en honor a Volta. El apilamiento de celdas en serie permite aumentar el potencial a voluntad, la tensión, otro descubrimiento de Volta. Solo había entonces generadores electroestáticos, y Volta inició la era eléctrica, que disfrutamos.

A la pila de Volta siguieron las de Daniell (1836), Grove (1839), Lechanché (1868), y siguieron las pilas patrón, por ej.: Weston (1891) de cadmio y mercurio, con 1.018 V. Y un largo etc.

3. DENSIDAD DE ENERGÍA Y CAPACIDAD DE CARGA

El automóvil eléctrico pide una batería de poco peso y volumen que otorgue una autonomía de al menos 400 kms. La de ión-litio parece la mejor. La empresa privada ha desarrollado baterías ión-litio, con electrolito de sal de litio, es la batería que ofrece mejores características, sin olvidar la economía: la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética, que pueda funcionar con un elevado número de ciclos de regeneración, alto rendimiento.

La autodescarga es una realidad: La de ión-litio pierde por mes 1.5% o 2%, pero al hacerse vieja aumenta el porcentaje. Es un consuelo que en la batería tradicional de hidruro de níquel las pérdidas son mucho mayores, incluso 30% por mes. La vida de la batería de ión-litio depende mucho de la temperatura ambiente, a más temperatura más corta la vida de la pila.

La primera batería ión-litio apareció en 1990, y su uso se ha popularizado en teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música. Es cada vez más segura, pero su precio se ha disparado.

Como ya hemos recordado, en el siglo XXI necesitamos disminuir el CO2 lanzado a la atmósfera, y con urgencia, lo cual implica que el tráfico consuma energía eléctrica y no los combustibles derivados del petróleo. La empresa privada ha desarrollado la batería ión-litio sin duda, por ej.: Sony, pero resulta indispensable la financiación de los Gobiernos. Hemos citado a ANL. Es solo el comienzo. La batería de ión-litio es algo más que un producto de mercado.

4. 40 AÑOS DE MEJORAS

La primera pila de litio fue propuesta por M.S. Wittingham mientras trabajaba para Exxon en la década de1970. Sus electrodos eran litio metal en el negativo y un compuesto de titanio en el positivo. El metal litio reacciona peligrosamente con el agua, y eso obligó en adelante a usar iones de litio, para evitar el metal litio. El metal litio reacciona con el agua para formar hidróxido de litio y gas hidrógeno.

Salar de Uyuni
El salar de Uyuni, Bolivia, con sales de litio.
Allí funciona una planta piloto para procesar piedras de litio.

El electrodo positivo era de LiCoO2, un electrodo estable que daba iones de litio (Oxford University 1979), y quedó probado que en el electrodo negativo el litio no hacía falta. En 1985 inventaron un ánodo compuesto de iones de litio y de grafito poroso. El cátodo era un óxido de litio y cobalto. Como no había metal litio, la seguridad de la pila quedaba asegurada, libre de incendio y aun explosión.

En 1991 Sony logró la ión-litio comercial. En 2004 entra la nanotecnología en la fabricación de la pila: inclusión de partículas de fosfato de hierro, con un diámetro de menos de 100 nm. Con ello la superficie del electrodo positivo y su capacidad eléctrica aumentó casi 100 veces más. En 2011 en Japón el 66% de las pilas recargables del mercado eran de ión-litio.

Generalmente el electrodo negativo está hecho a base de carbono, grafito. El electrodo positivo es un óxido metálico y el electrolito es una sal de litio en un solvente orgánico. Las sales de litio son: LiPF6, LIBF4 y LiClO4. El electrolito líquido (sin agua) transporta iones entre ambos electrodos, mientras la corriente eléctrica fluye por el circuito externo.

La energía de la pila es el voltaje (Voltios) multiplicado por la carga (Amperios). Veamos un ejemplo: En 2014 Tesla vende 40.000 coches eléctricos Modelo S, con una batería de 85 kWh, pero utiliza 7000 celdas voltaicas.

En 2014 el grafito en el ánodo de la pila ión-litio es substituido por el complejo silicio-grafeno. En economía la pila ión-litio tiene un precio más alto que la pila de níquel-cadmio, pero su densidad de energía es mucho mayor.

5. EL ÁNODO SILICIO-GRAFENO

ANL ha trabajado duro buscando el mejor diseño para resolver el bottleneck de los investigadores de ión-litio. El producto lo han ofrecido a una empresa privada: California Lithium Battery (Calbattery), para que inicie su fabricación. La fusión del silicio y grafeno creará un ánodo negativo de alta densidad energética y de capacidad, y descenderá el coste de la batería en un 70%. El cátodo no crea problemas.

El científico de Calbattery es el Dr. Junbing Yang, entusiasmado con el ánodo compuesto silicio-grafeno, y satisfecho por el apoyo que recibe del DOE, el Departamento de Energía, del Gobierno de EE.UU. El Dr.Yang trabajaba en ANL desde 2004, precísamente en las baterías ión-litio, y consiguió la patente para Calbattery del ánodo compuesto silicio-grafeno. Yang no tiene experiencia como empresario, y esa es su misión en Calbattery: lograr un producto industrial con un coste mínimo. Totalmente diferente del trabajo que realizaba en ANL. Yang ya ha abierto una planta piloto de producción en Brea, y espera en unos pocos años comercializar la nueva batería de silicio-grafeno.

Anodo compuesto de silicio-grafeno para la batería ión litio (microscopio electrónico)
Anodo compuesto de silicio-grafeno para la batería ión litio (microscopio electrónico).
Las esferas son de silicio y las hojas son de grafeno.

Yang nos recuerda que el silicio es una especie de Santo Grial en investigación de baterías durante 10-15 años, porque el silicio absorbe el litio 10 veces mejor que cualquier otro material y aumenta la duración de la pila. El problema del silicio consiste en que durante la carga/descarga del litio expansiona su volumen 400 veces. Al descargar la batería el silicio se desinfla. En solo 10 ciclos carga/descarga se rompe el contacto del silicio en el electrodo. El objetivo de Yang es limitar la expansión del silicio, y para ello utiliza gas de organosilanos. Estas nanopartículas penetran en las grietas del grafeno, y crean un ánodo compuesto estable, pese a que se contrae y expande. Mezclar silicio con grafeno aporta estabilidad. Si colocamos el silicio suelto sobre la superficie del grafeno, las partículas de silicio acaban formando glóbulos. La mezcla de silicio y grafeno a nivel de nanopartículas funciona y no se produce disminución de la capacidad energética, solamente ocurre al final de la vida útil de la batería. La capacidad específica del silicio en absorber iones-litio es el triple del de la batería ión-litio comercial.

Ese ánodo, de alta capacidad energética, se puede combinar con cátodos de alta densidad energética y con electrolito de alto voltaje, que Calbattery ya está desarrollando. Duplicar o triplicar la densidad energética de la pila es ya una realidad. Las aplicaciones comenzarán con la electrónica portátil, luego con el vehículo eléctrico y finalmente con los sistemas de almacenamiento energético. Harán falta varios años para vender el producto terminado en miles de toneladas. Cada reactor de Calbattery puede producir por año 50 toneladas de producto silicio-grafeno. En 2014 Calbattery terminará para telefonía móvil una célula SiGR de 800 Wh/l. Yang calcula que para 2020 Calbattery logrará una cuota de mercado mundial de ánodo, del 10-25%.

Coche eléctrico Smart ForTwo, en España.  La autonomía es de 130 km a una velocidad de 100 km/h.
Coche eléctrico Smart ForTwo, en España.
La autonomía es de 130 km a una velocidad de 100 km/h.

Existe la batería litio-aire y la de litio- azufre; representan un progreso, pero están lejos de llegar a la comercialización. El coche eléctrico tiene que costar lo mismo que uno de gasolina. Esperemos el cambio.

Renault Fluence Z.E. 100% eléctrico con autonomía de 160 km.
Renault Fluence Z.E. 100% eléctrico con autonomía de 160 km.

6. EL PRÓXIMO FUTURO

California Lithium Battery Inc.(Calbattery) presentará su bacteria de ánodo compuesto silicio y grafeno en The Battery Show, Novi-Michigan, los día 16-18 del próximo septiembre.

Según sus diseñadores la nueva batería ión-litio triplica las características en densidad de energía y capacidad específica de la batería convencional. Un automóvil eléctrico podrá recorrer al menos 450 kms sin recargar. Las mejoras no han terminado, necesitamos varios años, no renunciamos al vehículo eléctrico masivo.

PARA SABER MÁS

  • Clifton Yin: A composite anode material for lithium-ion batteries. The Energy Collective 2013.
  • Goodenough John: Lithium cobalt oxide battery. Oxford University 1979.
  • Philip Roberts: New lithium Si-Graphene material opens doors. Los Angeles Cleantech..Incubator 2013.
  • Stoldt,C: Solid state lithium battery developed at Colorado University. ARPA-E 2013.
  • Xufeng Z: Graphene modified LiFePO4 cathode materials for high power lithium ion batteries. .J.Mater.Chem.2011, 21.
  • Yang Junbing: Silicon-Graphene composite anode material. California Lithium Battery 2014.

http://www.dyna-energia.com/noticias-sobre-energia-sostenibilidad/las-baterias-de-ion-litio-avanzadas