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Baterías

09 septiembre, 2016

El fulgurante éxito del juego de realidad aumentada Pokémon Go trajo consigo una consecuencia inesperada, desde su lanzamiento en julio, se disparó la venta de baterías externas para móviles, algunos estudios hablan de un incremento de más del 100% de las ventas de este tipo de baterías, tan necesarias para afrontar el consumo de energía tan intensivo que supone el juego. Tal y como ha ocurrido en otras ocasiones, las aplicaciones relacionadas con el ocio, aceleran significativamente del desarrollo de tecnologías capaces de responder a las necesidades de las personas, en este caso todos nos vamos a ver beneficiados de la inversión que están realizando los fabricantes de móviles para ofrecer baterías con una mayor duración a los más de 130 millones de usuarios con lo que cuenta el juego.

Pero en esta ocasión no está siendo únicamente la industria electrónica la que está impulsando la innovación para desarrollar mejores baterías, desde hace pocos años la industria del automóvil, con Elon Musk y su empresa Tesla a la cabeza, se ha sumado a este reto, con la expectativa cercana de que los coches eléctricos serán los protagonistas de un sector que se enfrenta a uno de los mayores cambios de su historia, no sólo en lo que se refiere a la forma de propulsión sino también en la conducción. Cada día que pasa quedan menos dudas de que en menos de 10 años los coches serán autónomos y esta renovación en la forma de conducción traerá consigo también la renovación en el tipo de combustible. Es por ello que toda una industria, en la que existen decenas de marcas multimillonarias, se están lanzando a un proceso de transformación digital sin precedentes, que finalizará con una renovación total de todo tipo de vehículos para convertirlos eléctricos y autónomos.

El tercer sector que está ayudando a impulsar el desarrollo de mejores baterías es el de las energías renovables, especialmente el de la energía solar, que ha tenido un importante crecimiento en los últimos años y requiere de mejores baterías en las que almacenar la energía que los paneles solares producen cada vez de forma más eficiente y barata. Si los paneles solares están mejorando significativamente su eficiencia, es necesario que ocurra lo mismo a nivel de almacenamiento de esa energía, para que realmente pueda llegar a producirse un cambio importante en la forma de abastecimiento energético en los hogares. Aquí nuevamente nos volvemos a encontrar a Tesla como protagonista con sus baterías para el hogar y la compra de la empresa SolarCity que complementa a la perfección la estrategia de Elon Musk para mejorar el mundo por medio de la reducción de emisiones contaminantes, tanto por parte de los vehículos, como en la producción de la energía para los hogares.

En base a la situación que acabamos de comentar, lo que vamos a hacer a lo largo de este artículo es conocer en profundidad los principales avances tecnológicos que se están produciendo para mejorar el rendimiento de las baterías y cómo las grandes empresas de electrónica, de automoción y de energía están trabajando al respecto:

1. Baterías para dispositivos electrónicos

Gracias al apoyo de Intel Capital la startup Prieto Battery, nacida como una spinoff de la Universidad Estatal de Colorado en Fort Collins, ha podido desarrollar una batería 3D en estado sólido cuya estructura está basada en nuevos materiales que logran un volumen de iones de litio a un nivel muy superior al de las baterías actuales.  Las baterías 3D podrían resultar más baratas de fabricar, más rápidas de cargar, más seguras, más pequeñas y menos tóxicas para el medio ambiente, que las baterías convencionales. La batería 3D de estado sólido presenta diferencias importantes frente a las baterías convencionales en los materiales utilizados y el método de fabricación, ya que para construirlas se utiliza una espuma como materia prima sobre la que se deposita el ánodo, que está compuesto de antimonio de cobre galvanizado.

Sony trabaja en un nuevo tipo de baterías en las que  se utiliza un compuesto de azufre como material para el electrodo. El objetivo que se propone la empresa con esta nueva tecnología es aumentar la densidad de energía por unidad de volumen, lo que permitiría a la batería ofrecer un 40% más de autonomía a los dispositivos que la utilicen. La batería utilizará el azufre en el electrodo positivo y el litio en el electrodo negativo. La empresa planea iniciar la comercialización de este nuevo tipo de baterías en 2020 inicialmente destinadas a los smartphones.

El fabricante de electrónica Huawei trabaja en un nuevo tipo de baterías con la capacidad de cargarse al 50% en 5 minutos. Para conseguirlo ha creado un proceso de fabricación de las baterías que se basa en agregar heteroátomos a las moléculas convencionales de las baterías de iones de litio. Gracias a ello se cataliza la captura y transmisión de energía del litio, a través de sus enlaces de carbono. Una de las ventajas importantes de este proceso es que el aumento en la velocidad de carga no sacrifica la vida útil de la batería. Recientemente la empresa ha denominado a esta tecnología SuperCharge y se espera que esté disponible en breve en su smartphone Huawei Mate 9.

2. Baterías para coches eléctricos

La industria del automóvil es la que va a experimentar cambios más importantes en los próximos años, en primer lugar debido a las tecnologías utilizadas, donde veremos una transición total hacia el uso de motores eléctricos y los sistemas de conducción autónomos. Además se va a producir un cambio importante a nivel de hábitos de utilización de los coches, pasando de un modelo ineficiente basado en la propiedad de los vehículos, a un modelo asentado en la economía colaborativa, en el que va a primar el vehículo como servicio. Este es el modelo que promueve desde hace un tiempo la empresa Uber. También en esta tendencia es donde nos encontramos con el segundo Master Plan trazado por Elon Musk para Tesla, en el que destaca poderosamente su estrategia de coche compartido, en la que los propietarios de un coche de la marca podrán alquilarlo a otros usuarios para ganar dinero con ello o incluso en las grandes ciudades la empresa podrá tener su propia flota de coches autónomos, que serán utilizados bajo demanda por los usuarios que los necesiten en cada ocasión.

Cuando  la autoconducción sea aprobada por los reguladores, podrás sumar tu coche a la flota de coches compartidos de Tesla y dejar que genere ingresos para ti mientras trabajas o estás de vacaciones, reduciendo significativamente y a veces incluso excediendo la cantidad de tu letra o el leasing mensual. Esto reduce dramáticamente el verdadero coste de la propiedad hasta el punto de que casi cualquiera podrá tener un Tesla. Teniendo en cuenta que la mayoría de los coches son usados por sus dueños solo durante un 5% o un 10% del día, la ventaja económica fundamental de un coche autoconducido es probablemente muchas veces más alta que la de uno que no lo es.

Ante este escenario la mayoría de las empresas automovilísticas han empezado a «ponerse las pilas», porque toda una industria no puede quedarse fuera de la gran revolución que está promoviendo Tesla para el sector. Veamos a continuación algunas de las iniciativas más relevantes de los fabricantes de automóviles en lo que a desarrollo de nuevas baterías para coches eléctricos se refiere:

El sistema Aquarius en el que trabaja Peugeot permitirá cargar las baterías de los coches eléctricos al mismo tiempo que circulan gracias a un generador de a bordo, lo cual será una solución para sus futuros modelos eléctricos de autonomía extendida. Gracias a ello los coches eléctricos podrán llevar baterías más pequeñas, con la consiguiente reducción de peso, así como un menor costo. Para no disminuir la eficiencia del vehículo será necesario que el automóvil produzca su propia energía eléctrica gracias a un pequeño motor de explosión.  Este sistema propone un motor con un solo cilindro de 0,60 litros y 86 CV de potencia, sin válvulas ni cigüeñal y promete alcanzar una mayor eficiencia tanto en los rozamientos como en el mantenimiento. Al pistón se le añaden dos imanes, además de un bobinado eléctrico que rodea al cilindro y convierte al motor de explosión en un generador de funcionamiento lineal.

Volkswagen quiere que en 2030 el 30% de sus coches sean eléctricos y  tiene previsto llevar al mercado una treintena de automóviles movidos por electricidad antes del año 2025. Para ello tendrá que realizar una inversión de más de 10.000 millones de euros. Para conseguirlo está planeando construir una gran factoría de baterías que podría localizarse en Alemania o en China. Dentro de la la estrategia de la empresa por el desarrollo de tecnologías de movilidad eléctrica Volkswagen invirtió en la empresa QuantumScape, fabricante de baterías de electrolito en estado sólido, con la compra del 5% de su capital. Gracias a la tecnología desarrollada por la empresa se podría llegar a disponer de hasta 700 kilómetros de autonomía con una sola carga.

Audi también está trabajando en diferentes líneas de desarrollo en baterías de alto voltaje para vehículos eléctricos e híbridos enchufables. En el centro tecnológico de baterías de Gaimersheim, la empresa trabaja en un concepto modular uniforme que permite utilizar las baterías en los diferentes modelos y marcas del Grupo Volkswagen. Sobre todo se trabaja en el estudio y mejora de la rigidez del sistema de baterías y su comportamiento en una situación de choque. En los últimos tres años Audi ha logrado aumentar la capacidad actual de las células prismáticas de las baterías en un 50 por ciento, de 25 amperios hora (Ah) por célula a 37 Ah. La densidad de energía se ha incrementado en un grado similar. Las células planas ahora alcanzan hasta 550 vatios hora por litro de volumen, y se espera que alcancen unos 750 Wh/l en 2025. Como efecto secundario importante de estos avances se ha logrado que los costes de las baterías se hayan reducido a alrededor de la mitad en los últimos cinco años.

Nissan trabaja en el desarrollo de un nuevo método de análisis atómico que ayudará a aumentar el rendimiento de las baterías de iones de litio y de esta forma extender la autonomía de los vehículos eléctricos. La investigación se realiza conjuntamente entre Nissan Arc, filial de Nissan, la Universidad de Tohoku, el Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales y el Instituto de Investigación sobre Radiación Sincrotrón de Japón. El análisis examina la estructura del dióxido de silicio amorfo, considerado como la clave para aumentar la capacidad de las baterías de iones de litio de nueva generación, lo que permite a los investigadores comprender mejor la estructura de los electrodos durante los ciclos de carga. El silicio es capaz de incorporar grandes cantidades de litio en comparación con los materiales comunes con base de carbono, pero en su forma cristalina posee una estructura que se deteriora durante los ciclos de carga, lo cual afecta a su rendimiento. Sin embargo, el dióxido de silicio amorfo es resistente a dicho deterioro. Pero hasta ahora su estructura básica era desconocida, por lo que resultaba difícil producirlo en masa. El nuevo método que se ha desarrollado ofrece una comprensión precisa de la estructura amorfa en base a una combinación de análisis estructurales y simulaciones informáticas. Se pensaba que la estructura atómica del dióxido de silicio amorfo era heterogénea, ahora gracias a esta investigación se demuestra que su estructura permite almacenar mayor número de iones de litio, lo que se traduce en un mejor rendimiento de la batería.

BMW tiene un plan para la construcción de una nueva fábrica de baterías para vehículos eléctricos en Tailandia, en la que inicialmente está previsto invertir 57 millones de dólares. El objetivo es lograr que los vehículos híbridos sean más asequibles para los ciudadanos tailandeses. El Gobierno de Tailandia está trabajando con BMW para ofrecer incentivos fiscales con el fin de hacer del país un referente en las baterías para vehículos híbridos. Tailandia es uno de los grandes centros de producción y exportación de los mejores fabricantes de automóviles del mundo, y este sector representa en torno al 10% del producto interior bruto del país. Este plan forma parte de la estrategia de BMW para adentrarse en el negocio del vehículo eléctrico, ampliando su flota con Edrive plug-in desde los compactos (el 225xe Active Tourer y el 330e) hasta los de gama más alta (el X5 xDrive40e y el 740Le).  En los próximos años cada vez más modelos se complementarán con un accionamiento eléctrico adicional hasta que finalmente todos los ejemplares de BMW tengan al menos un plug-in híbrido. Los próximos pasos en el camino hacia la plena hibridación de la compañía incluirán los modelos Serie 5 y el X3.

Seat trabaja junto con Endesa en el proyecto Sunbatt para estudiar y monitorizar comportamiento de baterías de vehículos eléctricos conectadas a una microred de distribución con placas solares y cargadores eléctricos. Cuando las baterías de los vehículos eléctricos dejan de cumplir adecuadamente su función, conservan aún una capacidad residual significativa que permite que puedan ser utilizadas en otras aplicaciones estacionarias antes de su reciclado final. Según los primeros estudios realizados, en 10 años de vida una batería de un vehículo eléctrico puede perder de media un 20% de capacidad. Sunbatt está formado por cuatro baterías de vehículos eléctricos conectadas. Además cuenta con unas placas solares de 14 kW de potencia, tres puntos de carga eléctricos y la conexión a la red de distribución eléctrica. Un software se encarga de la toma de decisiones utilizando algoritmos inteligentes en los que intervienen diferentes parámetros con los que decidir en qué dirección dirigir los flujos de energía. La energía que generan las placas solares puede almacenarse en las baterías, volcarse en la red o consumirse directamente en la carga de vehículos eléctricos con el objetivo de lograr un consumo inteligente.

Las empresas tecnológicas tampoco quieren quedarse fuera del sector del automóvil eléctrico, porque de hecho consideran que los coches pronto serán como ordenadores o robots en los que podremos desplazarnos, además de hacer otras muchas cosas. Es por ello por lo que tanto Google como Apple tienen sus propios planes para el mundo del motor y por lo tanto también en el mundo de las baterías. En el marco del Proyecto Titán que está desarrollando Apple, para adentrarse en el mundo del automóvil, nos encontramos con la noticia de que está colaborando con la startup surcoreana Orange Power en el desarrollo de baterías para coches eléctricos. La startup desarrolla tecnologías de baterías a gran escala con sistema de refrigeración revolucionarios y cuenta con una patente de baterías que actúan como fuente secundaria de energía.  Las baterías contienen una corriente de aire y van dosificando desde el centro hacia los lados el calor que crea la reacción química de la batería, minimizando el desgaste y los problemas por sobrecalentamiento. Además, esto permitirá ofrecer mejores potencias de salida de energía.

Para terminar con este repaso a las iniciativas en el sector del automóvil relacionadas con el desarrollo de baterías no podemos dejar de hablar de los avances de Tesla en el tema de las baterías, con la presentación de una batería de 100 kWh que permitirá a sus vehículos Model S y el Model X lograr una aceleración de 0 a 100 km/h en 2.7 segundos y una autonomía de 507 kilómetros. Gracias a esta iniciativa Tesla vuelve a ponerse a la cabeza de la industria del coche eléctrico y pone el listón muy alto para el resto de competidores que le llevan aún años de desventaja.

3. Baterías para el hogar

2016 está siendo el año en el que se acelera el desarrollo de una industria hasta ahora poco considerada, pero que puede resultar enormemente relevante en los próximos años. Todo comenzó hace tan solo un año cuando Tesla presentó su batería para el hogar llamada Power Wall y desveló su estrategia en el ámbito energético, con el objetivo de que los hogares se conviertan en autosuficientes a nivel energético, contando con sus propios paneles solares capaces de producir la electricidad que necesitan los electrodomésticos del hogar y además cargar las baterías del coche eléctrico. Esta noticia ha supuesto un revulsivo para que la industria energética se despierte y tenga que iniciar un proceso de renovación, en el que seguramente muchas grandes empresas no serán capaces de sobrevivir y en el que surgirán nuevos negocios que hasta ahora no habían tenido oportunidad de desarrollarse, en un mundo en el que el petróleo ha sido el gran protagonista del panorama energético durante mucho tiempo.

La compra del fabricante de baterías Saft por parte de la petrolera Total, en mayo de este año, es un buen ejemplo de cómo una industria que corre el riesgo de quedarse obsoleta, debe iniciar un proceso de transformación hacia las energías renovables, que conlleve una apuesta por la producción en los propios hogares de la energía a través de paneles solares y el almacenamiento en el propio hogar por medio de baterías. Total ha pagado 950 millones de euros para hacerse con Saft y convertirla en la punta de lanza del almacenamiento eléctrico del grupo energético, dentro de un plan en el que se pretende acelerar su desarrollo en los sectores de energías renovables y electricidad.

Otra operación corporativa que muestra la relevancia que está tomando el desarrollo de baterías en la industria energética es la compra del 80% de Green Charge, empresa estadounidense con sede en California líder en el mercado de baterías de almacenamiento, por parte de Engie, el gigante energético francés fruto de la fusión entre Suez y Gaz de France. Gracias a Green Charge la empresa Engie va a adquirir una fuerte posición en el creciente mercado de las baterías de almacenamiento en los EEUU y la ampliación de su gama de soluciones energéticas para sus clientes. Esta operación se complementa con otras inversiones realizadas recientemente en las empresas Tendril, que desarrolla soluciones de gestión de servicios energéticos a través de una plataforma de software abierto en la nube, y OpTerra, una empresa que ayuda a miles de clientes en el control de su consumo de energía.

El fabricante de automóviles Nissan está siguiendo una estrategia muy similar a la de Tesla, ya que además de aliarse con Enel para la fabricación de baterías para sus coches, también se ha aliado con Eaton para la creación de su propia batería para el hogar llamada xStorage que se conecta al suministro eléctrico doméstico, se recarga cuando hay disponible energía renovable o cuando la tarifa de la electricidad es menos costosa y libera esa electricidad almacenada cuando la demanda y los costes son más elevados. El objetivo de la empresa es vender más de 100.000 unidades durante los próximos cinco años, ya que esperan que la tendencia del consumidor por este tipo de tecnología siga creciendo. El sistema se ofrecerá a los usuarios finales listo para su uso, con todos los elementos necesarios, incluyendo el cableado y la instalación por parte de un profesional certificado, y por un precio de salida de 4.000 euros para 4,2 KWh nominales.

Sonnenbatterie ofrece otra solución que consiste en una batería solar residencial “todo en uno” que representa la última generación de los productos de gestión de energía inteligentes. Utilizando un software de autoaprendizaje la batería ofrece varias funciones conectadas a la red como el aumento del autoconsumo solar, la gestión del tiempo de uso y el apoyo a los servicios de la red, sin incluir la energía de reserva. El sistema integrado de Sonnen de 4kWh tiene un coste de 5.950 dólares sin necesidad de instalación, en un sistema totalmente integrado que incluye el inversor, los módulos de batería de larga duración con una vida de 10.000 ciclos, el gestor inteligente de la energía y la tecnología de medición. Su diseño modular permite que el producto se pueda ampliar fácilmente en 4 kWh e incrementarlo hasta 16 kWh en una sola unidad compacta.

Orison es una batería para el hogar cuyo desarrollo ha sido posible gracias a una exitosa campaña de crowdfunding en la que se han logrado 450.000 dólares por parte de más de 400 personas, que han precomprado el producto a través de la plataforma Kickstarter. La batería es capaz de almacenar hasta 2,2 kWh, lo que por ejemplo puede dar una autonomía de hasta 5 horas a una televisión, además de poder utilizar varios módulos para dotar de energía al resto de la casa, cargándose con energía solar y prescindiendo de tener contratada ninguna compañía eléctrica. Asimismo se ha desarrollado una aplicación para móviles y tabletas con las que configurar en tiempo real distintos parámetros del dispositivo. Su precio se encuentra entre los 1.100 y 1.500 dólares, lo cual resulta más económico que otras baterías para el hogar disponibles en el mercado. La diferencia respecto a otros competidores, además del precio, es su adaptabilidad al entorno, su menor tamaño y su peso.

Empresas españolas que se adentran en el negocio de las baterías para el hogar

Aunque la legislación existente en estos momentos en España no es proclive al autoconsumo de energía, no podemos quedarnos fuera de esta industria que comienza a dar sus primeros pasos. La startup Ampere Energy, liderada por el emprendedor Ander Muelas, ha desarrollado su producto Sphere pensado para aplicaciones en el hogar, y con un diseño que le permite formar parte de la decoración de la propia vivienda. Cuenta con una capacidad de 3 kWh, una potencia de salida nominal máxima de 5 kW y todo con un precio de unos 3.000 euros. Otro producto de la empresa es Ampere Square que ofrece un diseño cuadrado que le permite una colocación en serie para aquellas instalaciones que necesiten más de un elemento. Las capacidades de esta opción suben a entre 3, 6 y 9 kWh, y con una potencia de entre 3 kW y 6 kW nominales. Cuentan con la posibilidad de enlazar hasta tres unidades en trifásica con una potencia total de 18 kW y una capacidad de 27 kWh. Los precios van desde los 5.000, hasta los 7.500 euros. Finalmente para los grandes consumidores, como empresas, hay otras opciones, como Ampere Tower, con 100 kWh y una potencia de 100 kW nominales. Esta propuesta además de en empresas, tiene también un importante potencial como solución a los problemas del coste de término fijo de potencia de los puntos de recarga rápida en España. La principal innovación desarrollada por Ampere Energy la encontramos en su software inteligente que conecta entre sí todos los dispositivos de la empresa para comprar la energía de forma conjunta y así reducir su precio, un método que será posible gracias al acuerdo con una comercializadora eléctrica.

Otra startup que trabaja en este ámbito es Solar Rocket con su producto Ra Store, que consiste en un sistema integral de energía solar más batería, que cuenta con una configuración “todo en uno” lo que facilita su instalación y a la que sólo habrá que añadir los paneles solares. A esto se añade un cuerpo compacto y un diseño italiano que permitirá instalarlo en un lugar visible sin que desentone en el interior del hogar, en caso de no tener otro espacio para su colocación. La la batería de Ra Store, fabricada por Aton Storage, puede ser escalada desde los 5 hasta los 20 kWh en tramos de 5 kWh con tres configuraciones diferentes. Ra Store se maneja mediante un software propio y una pantalla táctil que permite monitorizar de forma sencilla la producción fotovoltaica, el nivel de carga de las baterías y el consumo de la red. Además es posible visualizar  desde el móvil, ordenador o tablet, todos los datos de producción, consumo y ahorro diario, mensual y anual. Este sistema ofrece importantes ventajas sobre los utilizados anteriormente en energía solar para el hogar, como es la mayor eficiencia €/Wp que una instalación tradicional con acumulación con tecnología de plomo ácido, al no requerir cambio de baterías cada 3 a 5 años y la eliminación de los ruidos, humos y olores de los sistemas de acumulación con baterías de plomo ácido.

Principales innovaciones en el ámbito del diseño y fabricación de baterías

Aunque hemos visto que son muchas las empresas que trabajan para mejorar la baterías de los dispositivos electrónicos, los coches y el hogar, parece que este trabajo resulta aún insuficiente para satisfacer las necesidades que demanda la sociedad, es por ello que multitud de centros de investigación se afanan en encontrar soluciones a los problemas científicos y tecnológicos que ocasionan que las baterías aún no ofrezcan las prestaciones que demanda el mercado:

Científicos de la Universidad de Córdoba trabajan en alternativas al silicio para la construcción de baterías. Entre sus investigaciones encontramos la posibilidad de crear baterías basadas en iones de sodio. El sodio se encuentra en nuestro planeta unas mil veces más que el litio, de ahí que el precio del mismo sea notablemente inferior. Además, su manejo y producción masiva también resultan ser mucho menos costosas. Para incrementar la capacidad de la celda experimental de la batería, los científicos plantearon un cambio en el material que se emplea como cátodo, utilizando una composición de vanadio y sodio al que se incorporó el manganeso. Los investigadores observaron que la velocidad de carga y descarga era superior en varios escenarios. La descarga duraba más tiempo y la celda soportaba más ciclos de carga y descarga. Para crear una nueva batería, es importante que la descarga sea duradera, que se tarde poco en cargarla de energía de nuevo y que persista mucho tiempo ese ciclo. En muchas de las baterías que se emplean en la vida cotidiana, como las de los móviles, fluyen iones de litio. Los iones de sodio también pueden cumplir esta función, pero las baterías resultantes tienen dos problemas: su menor capacidad y voltaje, por lo que la densidad de energía resultante es más pequeña. La principal ventaja de este nuevo tipo de baterías basadas en silicio sería su precio más reducido.

Científicos de la Universidad Carlos III de Madrid y del Instituto de Ciencia de Materiales del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, han desarrollado y patentado una nueva técnica de fabricado de baterías ion-litio para dispositivos electrónicos y vehículos, que resultan más eficientes y seguras, gracias a la utilización de un material ignífugo que reduce el riesgo de degradación e inflamación a altas temperaturas. Este nuevo método de fabricación incorpora láminas cerámicas, lo que elimina el peligro de combustión inherente a las baterías convencionales, ya que tradicionalmente estas han usado plastificantes y electrolitos líquidos que pueden entrar en combustión.

La empresa británica Intelligent Energy ha desarrollado un nuevo tipo de batería basada en el hidrógeno que muestra una gran capacidad de almacenamiento de energía y puede ser cargada en un tiempo mucho menor que las baterías convencionales. La utilidad inicial que la empresa ha pensado para estas baterías es su utilización en drones, en los cuales podría aumentar su autonomía de los 20 minutos actuales hasta 2 horas.

Científicos de la Universidad de Michigan trabajan con el Kevlar para mejorar la eficiencia y utilidad de las baterías. Se trata de un material muy resistente desarrollado por la empresa DuPont, gracias al cual, a escala nanométrica, se pueden formar membranas que aíslan los electrodos de la batería de iones de litio. A diferencia de otros materiales resistentes como los nanotubos de carbono, el Kevlar es aislante, no conductor, gracias a lo cual las baterías de iones de litio podrán ser más seguras. Además, debido a la delgadez del material, será posible hacer baterías más delgadas, más seguras y con buena conductividad. La seguridad de estas baterías también tiene que ver con que el Kevlar es resistente al calor, y por lo tanto menos propenso a incendios.

Investigadores de IBM y ETH Zurich han desarrollado una batería que en el futuro podría integrarse en los chips y alimentarlos a la vez que se refrigeran. La clave de esta tecnología se encuentra en los electrolitos líquidos que emplea, y en la miniaturización que han logrado conseguir en ellos. Para la fabricación de las baterías se utiliza la impresión 3D que permite crear microcanales con los que los electrolitos pueden proveer de energía sin pérdidas pérdidas importantes.

Científicos del Instituto de Investigación de la Energía y el Clima de Jülich han logrado crear una batería de silicio-aire con una vida útil de más de 1.000 horas. Esta batería muestra una mayor densidad energética y al estar fabricada con silicio muestra una ventaja importante respecto al litio, por ser un material más abundante en la tierra y por lo tanto más barato. El inconveniente de estas baterías es que tienen una vida útil baja y para solucionarlo es necesario modificar el electrolito, aspecto en el que trabajan actualmente con el objetivo de que este nuevo tipo de baterías pueda llegar a convertirse en una alternativa real a las baterías convencionales de litio.

Investigadores del MIT, del Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Pekín trabajan en el diseño de baterías con cátodos de nanolitio, que pueden solventar las principales desventajas de las baterías de litio-aire utilizadas actualmente en los coches. Las baterías de litio-aire pueden almacenar más energía en el mismo espacio que las actuales, pero pierden un 30% de energía cuando son cargadas, al dispersarse en forma de calor en al aire. Además los componentes necesarios para inyectar el oxígeno son caros. Estas nuevas baterías pueden almacenar el doble de energía que las que se habían descubierto hasta ahora, y podrían llegar incluso a cuadruplicarlas.

Investigadores de la Universidad de California en Irvine han inventado una batería de nanocables que puede ser recargada más de 200.000 veces, lo que significaría que puede soportar casi un 3.000% más de ciclos de carga que una batería de litio como las que usamos actualmente en nuestros dispositivos electrónicos. La batería experimental que se ha creado está formada por nanocables de oro, con un caparazón de dióxido de manganeso, encerrado a su vez en un electrolito formado por un gel.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Beihang en China ha incorporado el grafeno en las baterías de litio-azufre, logrando optimizar su durabilidad y reduciendo drásticamente su coste de producción. La batería de litio y azufre muestra un enorme potencial al combinar las ventajas de una pila de combustible, con energía muy densa, con los puntos fuertes de un sistema de almacenamiento de energía autónomo. Además, tiene la ventaja de que el componente es limpio y respetuoso con el medio ambiente. Su problema hasta el momento es que ofrecen una vida útil muy corta debido a que los cátodos de azufre y de litio presentan una gran pérdida de material activo, a causa de que los polisulfuros son altamente solubles y con cada carga el componente se degrada rápidamente. Ahora gracias al grafeno se pueden mejorar las propiedades conductivas del azufre, aumentar la densidad energética y aportar estabilidad para optimizar el rendimiento del componente.

CO2

Científicos de la Universidad de Cornell han desarrollado unas células de energía de aluminio y dióxido de carbono que pueden producir electricidad cuando capturan el dióxido de carbono a través de reacciones electroquímicas. Se trata de una técnica basada en la tecnología de captura del CO2 con variante innovadora para capturar gases de efecto invernadero y utilizarlos como un producto útil, mientras se produce energía eléctrica. Estas células emplean aluminio como ánodo y corrientes mixtas de dióxido de carbono y oxígeno como componentes activos de cátodo. Las reacciones electroquímicas entre el ánodo y el cátodo sirven para almacenar el dióxido de carbono en compuestos ricos en carbono mientras que se produce electricidad. En una línea de investigación con similitudes, científicos de Siemmens, de las universidades de Lausanne y de Bayreuth, han conseguido emular la fase oscura de la fotosíntesis a escala comercial en lo que resulta un importante paso para poder desarrollar baterías basadas en los mismos procesos que la fotosíntesis que realizan las plantas para obtener energía.

Lo que la biología puede hacer para mejorar las baterías

En muchas ocasiones la tecnología ha encontrado en la naturaleza la inspiración para solventar los múltiples problemas con los que se ha encontrado en su desarrollo. En el caso de las baterías no es un excepción y a continuación vamos a conocer algunas investigaciones que se basan en la biología para crear mejores baterías.

Las fibras de carbono del hongo silvestre Tyromyces fissilis modificadas con nanopartículas de óxido de cobalto, han mostrado mejores características para el desarrollo de baterías que los electrodos convencionales de grafito de las baterías de iones de litio. Los ánodos híbridos que han desarrollado científicos de la Universidad de Purdue con este material tienen una capacidad estable de 530 miliamperios por gramo, que es un 150%  mayor que la capacidad de grafito. Científicos de la misma universidad han utilizado el polen de la planta totora como material alternativo para la fabricación de los ánodos en las baterías. Las pruebas realizadas muestran que en 10 horas se puede lograr una carga completa de la batería y en una hora cargar la mitad de la batería.

Las baterías fabricadas a base de bacterias, ideadas por investigadores de la Universidad de Wageningen y la Universidad de Wetsus, tienen la capacidad de cargarse en 16 horas y descargarse en 8 horas, imitando el patrón día-noche propio de la producción solar. En el sistema desarrollado se emplea una célula de combustible microbiana en la que se produce electricidad cuando los electrones pierden contra una molécula y ganan contra otra, estando todos sometidos a una reacción de oxidación. En segundo lugar, se emplea electrosíntesis microbiana, proceso en el que la electricidad producida se convierte de nuevo en productos químicos que pueden ser reutilizados en la batería. Este nuevo tipo de producción de energía podría llegar a ser incluso más eficaz que la energía solar, gracias a las 24 horas de usabilidad que proporcionaría. Igualmente podría llegar a competir con las tecnologías convencionales de baterías basadas en litio debido a su menor coste de producción y una mayor seguridad.

Startups dedicadas al negocio de las baterías

Grandes empresas y centros de investigación, tan sólo faltaban las startups para completar el círculo virtuoso que solucione los problemas actuales de eficiencia de las baterías.

24M es una startup liderada por el profesor de ciencia de los materiales del MIT Yet-Ming Chiang, que cuenta con 16 millones de dólares de inversión para el desarrollo un electrodo semisólido para baterías. Este electrodo aumenta entre un 15% y un 25% de capacidad de las baterías frente a las convencionales baterías de iones de litio del mismo tamaño. El nuevo diseño de baterías permite que se puedan fabricar más rápido y con mayor facilidad. La construcción de una gran fábrica de baterías de iones de litio cuesta alrededor de 90 millones de euros, en parte porque se necesita de máquinas especializadas para recubrir, secar, cortar y comprimir la película de electrodos. Puesto que el electrodo semisólido desarrollado por 24M no requiere estos pasos, la empresa estima que sus baterías podrían ser fabricadas cinco veces más rápido y en plantas mucho más pequeñas. El objetivo de la empresa es lograr ser una de las primeras en reducir el coste de las células de baterías de iones de litio hasta cruzar el umbral de los 90 euros por kilovatio-hora, desde los valores actuales que oscilan entre los 180 euros y los 225 euros. Ese es el umbral para que los coches puedan competir en precio con los vehículos de motor de combustión interna.

Aquion Energy cuenta con 162 millones de dólares en fondos recaudados para el desarrollo de innovaciones en el mundo de las baterías. Sus inversores incluyen a Bill Gates y Kleiner Perkins Caufield & Byers además de los brazos de capital riesgo de los gigantes de la industria energética Shell y Total. Sus baterías inventadas por el profesor de la Universidad de Carnegie Mellon Jay Whitacre, están hechas de materiales no tóxicos que pueden proporcionar almacenaje a largo plazo para energía solar, eólica y otras fuentes intermitentes a un coste muy bajo. La empresa cuenta con baterías calificadas con el galardón de Bronce Cradle to Cradle Certified, una marca de calidad reconocida en la industria por suministrar mejoras continuas hacia el desarrollo de productos de calidad. Su batería AHI se fabrica utilizando un electrolito de agua salada, ánodo de carbono, cátodo de óxido de manganeso y un separador de algodón sintético. Este diseño electroquímico único es amigable para el ambiente al no contener metales pesados ni sustancias químicas tóxicas, y ser no inflamable ni explosivo.

Phinergy ha recibido 50 millones de dólares de inversión de la empresa industrial Alcoa para el desarrollo de un sistema de baterías suplementarias para coches eléctricos. Se trata de baterías de metal-aire que obtienen su energía a partir de la oxidación de aluminio en una reacción en la que interviene el agua. El sistema de recarga del vehículo se basa en el repostaje con agua cada 300 kilómetros con agua y la sustitución de la batería cada 1.600 kilómetros para reponer el aluminio que se ha oxidado.

Advanced Microgrid Solutions dispone de 218 millones de dólares para invertir en el proyectos comerciales e industriales de almacenamiento de energía distribuida. Entre estos proyectos destacan la instalación de 300MWh de baterías de almacenamiento para la gestión de la demanda de la segunda eléctrica de California, Southern California Edison, para dar un mejor servicio a sus clientes comerciales, de la industria del agua y clientes de la universidad, en el área de la cuenca oeste de Los Ángeles. Otro importante proyecto dotará a 24 edificios de oficinas de la firma inmobiliaria californiana Irvine Company con Tesla Powerpacks y el software de gestión de Advanced Microgrid Solutions.

Amprius ha recibido 55 millones de dólares de inversión y ha sido fundada por el científico de la de Stanford University Yi Cui, que cuenta con el apoyo de inversores como Eric Schmidt, Trident Capital, VantagePoint Capital Partners, IPV Capital, Kleiner Perkins Caufield & Byers, SAIF Partners, Chinergy Capital y Wuxi IDG. A diferencia del resto de empresas de desarrollo de baterías, que trabajan en ajustar la composición química de los electrodos de las baterías o de la carga electrolítica de conducción, Amprius trabaja en la fusión los químicos de las baterías con la nanotecnología para construir una intrincada estructura de electrodos que pueden absorber y liberar iones de carga en grandes cantidades y a mayor velocidad que los electrodos convencionales, todo ello sin producir reacciones secundarias problemáticas. El nuevo enfoque arquitectónico de electrodos desarrollado por la empresa permite controlar la química de las baterías, algo que durante mucho tiempo ha resultado un problema importante para su fabricación de baterías.

StoreDot es una startup israelí que ha desarrollado una patente de un cargador con el que será posible cargar un teléfono móvil en menos de 1 minuto, hasta 200 veces más rápido que los cargadores convencionales. La empresa ha recibido 66 millones de dólares de inversión para el desarrollo de tecnologías de recarga de baterías. Su producto FlashBattery está basado en carga inductiva por medio de reacciones moleculares dentro de la batería y de esta forma poder elevar su capacidad de recarga. La versión de 50 amperios permite cargar el móvil completamente en unos seis minutos, 20 veces más rápido que las soluciones de carga actuales.

Ambri cuenta con 50 millones de dólares de inversión provenientes de Khosla Ventures para la fabricación de baterías de metal fundido. Uno de sus proyectos piloto tiene como objetivo abordar un problema clave en la ciudad de Nueva York donde las líneas eléctricas que importan energía a la ciudad a veces están tan forzadas que están a punto de colapsar. Las baterías de la empresa podrían servir para reducir la demanda y la necesidad de construir más líneas eléctricas. También podrían servir de refuerzo en el caso de apagones, lo cual resulta una preocupación importante de la ciudad, que se ha visto afectada por potentes fenómenos meteorológicos en los últimos años, como la supertormenta Sandy.

Bluelife Battery es una startup española fundada en 2012 por Alfredo Omaña cuya actividad principal es la regeneración de baterías de vehículos híbridos y eléctricos, además de la reutilización de acumuladores energéticos. Gran parte del esfuerzo en I+D+i de la empresa está centrado en encontrar nuevas soluciones y aplicaciones a los sistemas de acumulación obsoletos. Entre sus servicios encontramos el diseño de acumuladores de energía y los puntos de recarga de vehículo eléctrico. De la actividad de la empresa destaca su capacidad para regenerar las baterías agotadas de vehículos que consiguen hacer de media unos 180.000 kilómetros extra, gracias a la regeneración de la batería.

Startups de baterías adquiridas por empresas industriales

Anteriormente hemos hablado de las compras de las empresas fabricantes de baterías Saft por parte de Total y de Green Charge por parte de Engie, pero estas operaciones no son excepciones en un sector en el que se están produciendo importantes adquisiciones con las que las empresas industriales se posicionan en un negocio que les pueden reportar importantes beneficios. Veamos a continuación algunas de estas operaciones de compra de startups dedicadas a la fabricación de baterías:

Seeo es una startup californiana dedicada a la fabricación de baterías de electrolito polimérico para vehículos eléctricos. Tras haber recibido 43,6 millones de dólares de inversión por parte de fondos como Samsung Ventures y Khosla Ventures, la empresa ha sido adquirida por Bosch. DryLyte es el producto estrella desarrollado por la empresa y consiste en una batería que sustituye el electrolito líquido por otro en estado sólido, logrando elevar la densidad energética y la seguridad de la batería al reducir al mínimo su volatilidad.

El fabricante de aspiradoras Dyson adquirió en 2015 por 90 millones de dólares la startup estadounidense Sakti3, especializada en la construcción de baterías de estado sólido. La empresa había producido una batería de estado sólido con una densidad de energía de 400 Wh/kg. Gracias a estas baterías el kWh podría bajar de los 100 dólares y permitir a los vehículos eléctricos que las utilicen superar los 700 kilómetros de autonomía.

Conclusión

Como usuarios intensivos de dispositivos electrónicos, que requieren de baterías para su funcionamiento, seguramente nos sentimos frustrados porque pensamos que el rendimiento de las baterías no responde adecuadamente a nuestras necesidades y por consiguiente se puede deducir que es la industria la que no está respondiendo adecuadamente a esta necesidad. Pero la realidad que acabamos de detallar nos muestra un interés enorme por parte de las empresas por mejorar la situación, lo cual se ve respaldado por importantes inversiones, tanto a nivel de capital riesgo, que apuesta por nuevas startups, como a nivel corporativo por parte de grandes empresas industriales que compran innovaciones realizadas en el ámbito de las baterías. En el momento en el que se produce una diversificación en la necesidad de baterías, empezando por los dispositivos electrónicos, evolucionando hacia los vehículos eléctricos y llegando a las baterías para suministro eléctrico en el hogar, nos encontramos en una situación en la que se ha ampliado enormemente la necesidad de disponer de mejores baterías. Si a todo esto le sumamos la incipiente necesidad de baterías por parte de nuevos sectores como el de los drones y los robots, cada día que pasa la necesidad va a ser más acuciante. Si es cierto que «la necesidad agudiza el ingenio» todo apunta a que muy pronto tendremos baterías mucho más potentes que satisfagan completamente las necesidades del mercado en sus distintas vertientes.

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