El Premio Nobel de Química de 2019 fue otorgado a un equipo que se dedicó, durante décadas, a desarrollar lo que la mayoría de la gente consideraría como una creación humilde: la batería de iones de litio. Fue muy importante el momento en el que Goodenough, Yoshino y Whittingham aceptaron el premio que merecían desde tiempo atrás. La batería de iones de litio finalmente había llegado para presentarse como la tecnología que podría cambiar la vida tal como la conocemos y ayudar así al mundo a cargar hacia un futuro más limpio, ecológico y electrificado.
Aunque sus principios químicos se remontan a los albores del siglo 20, la primera batería de litio recargable fue inventada en la década de los 70 en el apogeo de la crisis petrolera, y se vendió en la década de los 90 para su uso en cámaras de vídeo: un triunfo de la ingeniería de precisión y el ingenio científico. El recipiente de la batería contiene un experimento electroquímico en un microcosmos. En términos básicos, cada “celda” contiene 2 electrodos con un electrolito entre ellos. En el modo de descarga, cuando las terminales del electrodo exterior están conectadas a un material conductor (como un cable), comienzan las reacciones. En el ánodo de la celda de la batería de iones de litio, los electrones y los iones de litio se separan y los electrones pasan a través del cable fuera de la celda, creando una corriente que puede alimentar un dispositivo. Simultáneamente dentro de la celda, los iones de litio con carga positiva se mueven a través del electrolito hacia el cátodo donde los iones y electrones se unen. Lo destacable es que estos procesos se invierten en el modo de carga, devolviendo los iones y electrones de litio al ánodo y restaurando la diferencia original en los estados de energía de los electrodos.
Izquierda: Cómo funciona una batería de iones de litio; Derecha: La composición química de una batería de iones de litio
Las innovaciones de materiales desarrolladas por Goodenough, Yoshino y Whittingham consistieron en un cátodo hecho de un compuesto de óxido de litio y cobalto, un ánodo hecho de carbón en capas y un electrolito de sal fluorada en un solvente orgánico. Esta fórmula ha conservado su relevancia durante más de 30 años como base para un rendimiento sólido y estable de las baterías. Sin embargo, como con cualquier experimento, existen oportunidades de mejora al cambiar las variables. Hoy en día, muchas de esas oportunidades consisten en adaptar los electrolitos que hacen que la tecnología funcione.
«Tomando en cuenta el futuro de las baterías, el electrolito es probablemente el componente más importante. No es el más caro, pero sí el más importante», dijo el Dr. Martin Winter, un destacado químico y científico de materiales que trabaja en el campo del almacenamiento y conversión de electroquímicos. «Si el electrolito no es compatible con todos los componentes de la celda, la batería nunca funcionará. Las baterías de iones de litio ya son muy buenas. Mejorarlas paso a paso es algo tedioso y quizá no sea llamativo para quienes hablan de la ‘superbatería del futuro’. No obstante, son precisamente esas mejoras paso a paso las que nos llevarán al éxito», continuó Winter.
Cuando se trata de actualizar estas mejoras incrementales, los investigadores académicos y los fabricantes trabajan para desarrollar nuevos compuestos de electrolitos fluorados para abordar los desafíos actuales con las baterías de iones de litio y liberar dos de las principales oportunidades para la tecnología: escalabilidad y sustentabilidad, para un futuro en el que la gente y el planeta puedan prosperar.
Mejorar los electrolitos para un mejor rendimiento de la batería
El Dr. Martin Winter y su equipo han investigado compuestos de electrolitos fluorados para baterías durante más de 25 años, desarrollando nuevos materiales, componentes y diseños de celdas para baterías de iones de litio y de metal, así como supercondensadores. Desde la fundación del Centro de Investigación de Baterías MEET en la Universidad de Münster en Alemania, Winter ha trabajado en los campos de almacenamiento de energía y baterías con un equipo de más de 300 científicos y con un gran número de socios globales. Uno de esos socios es Koura, con quien Winter y sus colaboradores han participado a través de E-Lyte Innovations, un fabricante de electrolitos que surgió de MEET y está especializado en aplicaciones avanzadas.
Los compuestos de electrolitos fluorados han sido de particular interés para Winter y otros en la comunidad de baterías, ya que ofrecen una estabilidad electroquímica superior cuando se combinan con material de cátodo de alto voltaje. Es decir, son compuestos esenciales para tener baterías mejores, más seguras y con una vida más larga, con aplicaciones en electrónica portátil y más. Winter y sus colaboradores han realizado experimentos para descubrir cómo se pueden aplicar los componentes de electrolitos fluorados para ser menos inflamables o incluso no flamables, ofrecer protección del ánodo para una mayor longevidad y aumentar la humectabilidad para una mejor conducción.
Más allá de crear mejores baterías de iones de litio para teléfonos, computadoras portátiles y electrodomésticos inteligentes, los ajustes a las formulaciones de electrolitos pueden acelerar la «solución EV». Si bien la química de las baterías de iones de litio no se desarrolló originalmente para impulsar vehículos eléctricos, ahora se está adaptando a esos fines. Para un funcionamiento estable en una variedad de condiciones de temperatura extrema, el reemplazo de sales de electrolitos, solventes y aditivos no fluorados con fluorados puede reducir la viscosidad y mejorar la resistencia a bajas temperaturas, factores que históricamente han reducido la potencia.
«Tomando en cuenta que el flúor posee propiedades específicas que los compuestos no fluorados no tienen en lo que respecta al rendimiento óptimo de los electrolitos, la producción de sales fluoradas debe ser gestionada por un proveedor con amplia experiencia en compuestos fluorados de alto rendimiento en los mercados locales. Además, reemplazar los solventes no fluorados con solventes fluorados en la química de los electrolitos puede marcar toda la diferencia con respecto a lo que tenemos hoy como baterías para alimentar los vehículos eléctricos»
Con estas mejoras paulatinas se podrían abordar los problemas actuales de rendimiento de las baterías y la ansiedad en relación con el alcance de los vehículos eléctricos. Asimismo, podrían usarse en la química de las baterías para vehículos con celdas de combustible; tecnologías robóticas y de automatización; dispositivos médicos y sensores para monitoreo de la salud; e incluso tecnologías de almacenamiento de energía a escala de red. También existe el potencial de que estos componentes estén disponibles en los mercados locales y sean ambientalmente responsables: una idea totalmente nueva.
Impulsar un futuro de posibilidades
Desde hace muchos años, Koura es líder mundial en el desarrollo, fabricación y suministro de fluoroproductos que impulsan la vida, ya sea mediante el desarrollo de propelentes médicos sustentables que están presentes en el 75% de los inhaladores de dosis medidas del mundo, siendo pionero en una gama de refrigerantes de bajo potencial de calentamiento global; o con electrolitos de baterías de iones de litio, para dar como resultado formulaciones amigables con el planeta y las personas.
Hoy en día, el equipo de Koura trabaja en estrecha colaboración con sus clientes y fabricantes para desarrollar electrolitos y materiales de baterías fluorados personalizados que ofrezcan mejores resultados en materia de seguridad, rendimiento y medioambiente, y los próximos lanzamientos comerciales están programados para este año. Además, hace poco Koura recibió una subvención del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés) con el Argonne National Lab (ANL, por sus siglas en inglés) para desarrollar mejores procesos de producción de materiales para baterías fluoradas con mayor estabilidad de voltaje, baja flamabilidad y conductividad de silicio de próxima generación a nivel industrial.
«Los electrolitos son un elemento clave de la estrategia de Koura para la eficiencia de baterías. Estamos realizando un trabajo altamente técnico para analizar y comprender los materiales que utilizamos y cómo se comportan en diversos entornos, además de colaborar con nuestros clientes y fabricantes de baterías para optimizar los diseños y garantizar que sean amigables tanto para los consumidores como para el medio ambiente. Nuestro objetivo principal es brindar soluciones innovadoras para cualquier desafío de rendimiento de baterías sin dejar de lado nuestro compromiso con las prácticas que impulsan la vida alrededor del mundo. A la larga, estamos cambiando hacia una economía circular del flúor».
Koura está en vías de convertirse en uno de los proveedores clave de electrolitos de sal fluorada en Europa, el Reino Unido y Estados Unidos, dados los activos de materia prima de la empresa y las alianzas estratégicas que contribuyen a satisfacer la alta demanda de sales y aglutinantes fuera del saturado mercado asiático. Piense primero en cadenas de suministro de electrolitos locales, escalables y estables. Después piense más allá hacia la reciclabilidad: un área cuyo impacto realmente puede cambiar el mundo.
Según datos de la American Chemical Society1 la tasa actual de reciclaje de las baterías de iones de litio es problemática ya que se recicla menos del 10% de los materiales debido a los altos costos de equipos e instalaciones necesarios para la fundición y recuperación comparativamente baja de componentes valiosos. No obstante, abordar el tema del reciclaje de baterías podría reducir los costos de fabricación, reducir el tiempo de desarrollo y los impactos de la extracción de materiales, reducir la lixiviación de contaminantes en el suelo y los suministros de agua subterránea e incluso mejorar aún más la seguridad de las cadenas de suministro. Si bien los electrolitos de la batería ya se pueden reciclar de manera térmica, considerar el reciclado en el proceso de formulación de electrolitos (es decir, incluso antes de la fabricación de células) podría resultar en mejoras significativas en el proceso. Actualmente, Koura está invirtiendo en estos enfoques circulares a través de iniciativas internas y externas que hacen que el reciclaje y la reutilización de materiales clave de la batería, como el litio, el flúor y otros, sean comercialmente viables.
Imagine un futuro en el que la conectividad a todo un mundo de información y servicios sea una garantía para todos, desde computadoras que caben cómodamente en los bolsillos y funcionan durante días con una sola carga. Un futuro donde los vehículos eléctricos se encienden en las cocheras residenciales y los autobuses eléctricos transitan silenciosos y limpios por las calles de la ciudad durante todas las estaciones del año. Un futuro, donde los sensores diseñados para monitorear condiciones de salud crónicas en las personas, son lo suficientemente seguros como para ser instalados debajo de la piel y alimentados por microbaterías. Un futuro donde las tecnologías de almacenamiento a escala de red son omnipresentes, funcionan con abundante viento, agua y sol y con baterías que se puedan reciclar cuando sean inservibles. Imagine que este futuro ya está a la vuelta de la esquina.
Gracias a este trabajo que se está realizando ahora, este futuro es posible. Y la batería de iones de litio no es un invento con un rol menor en dicho futuro.
1 Jacoby, Mitch. “It’s time to get serious about recycling lithium-ion batteries”. Chemical & Engineering News, American Chemical Society, Volume 97, Issue 28, July 14, 2019,https://cen.acs.org/materials/energy-storage/time-serious-recycling-lithium/97/i28. Consultado el 14 de abril de 2021.
