NeoFronteras

Baterías 100 veces más rápidas

Área: Tecnología — Lunes, 28 de marzo de 2011

Un cátodo poroso nanoestructurado mejora hasta cien veces la velocidad de carga o descarga de las baterías de ión-litio y de hidruro de níquel.

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Cátodo nanestructurado. Esquema e imágenes de microscopía electrónica. Fuente: Braun y colaboradores.

Supongamos que llega un día en el que podemos comprar un automóvil eléctrico a un precio normal y queremos hacer un viaje largo. Si la tecnología de baterías es la habitual el viaje terminaría siendo eterno, pues necesitaríamos horas para cargar dichas baterías, incluso si hubiera puntos donde esto se pudiera hacer (de momento no hay). También se nos facilitaría la vida si los dispositivos electrónicos móviles que tenemos se cargarán rápido, pues se les suele acabar la carga en el momento más inoportuno. Otra utilidad de las baterías sería su uso como almacenamiento y suministro de corriente en sistemas fotovoltaicos o eólicos para casas unifamiliares o fincas.
Una alternativa a las baterías son los supercondensadores. Éstos pueden cargarse muy rápidamente porque no hay mediación de ninguna reacción química, sino que los electrones son almacenados tal cual en superficies conductoras de gran extensión. En este caso la descarga tiene que se cuidadosamente controlada para que no se libere toda la carga de golpe. Lo malo de los supercondensadores es que a igualdad de peso o volumen almacenan menos carga que las baterías químicas. Lo bueno de éstos es que no sufren envejecimiento por número de ciclos de carga como les sucede a las baterías.
Si de algún modo se lograra crear baterías de carga rápida se podrían aunar algunas de las características positivas en una de las tecnologías. Es decir, se podría tener la rapidez de los supercondensadores con la capacidad de las baterías. Esto es lo que parece que están logrando en University of Illinois. Un grupo de investigadores de esa universidad ha encontrado que el uso de un electrodo nanoestructurado permite que la carga o descarga se realice hasta 100 veces más rápido de lo habitual. Dos órdenes de magnitud es una diferencia muy grande. Si tenemos, por ejemplo, un automóvil Reva eléctrico (ya comercializado), automóvil que necesita 2 horas y media para cargar sus baterías al 80%, con la nueva tecnología sólo necesitaríamos unos minutos. Es decir, el tiempo de comprar unas cosillas en la estación de servicio, estirar las piernas, usar lo lavabos o tomarse un café. Naturalmente, en este caso sería necesaria la instalación de una conexión eléctrica de alta potencia, porque por mucho batería de alta tecnología que pongamos esto no podría realizarse en casa (incluso si se vive humanamente en una casa unifamiliar con garaje y no en un nicho, perdón, en un apartamento o piso) debido a la potencia contratada con la compañía eléctrica. Pero un teléfono se podría cargar en cuestión de segundos en un enchufe convencional.
Las baterías convencionales almacenan la energía (química) en algún material, normalmente un compuesto que puede ser un óxido, un fosfato o algún compuesto similar según el tipo batería, material que está pegado a un cátodo métalico que es buen conductor. Como estos compuestos son malos conductores al paso de la corriente, se necesita mucho tiempo para cargar o descargar una batería.
Hasta ahora se ha pretendido solucionar este problema añadiendo materiales que fueran conductores al material que almacena la energía, pero esto reduce la cantidad de energía almacenada a igualdad de peso o volumen, disminuyendo la capacidad de la batería. Paul Braun y sus colaboradores han desarrollado una idea diferente. Han conseguido nanoestructurar el cátodo en forma de una red porosa de tal modo que el material que almacena la energía siempre está a escasa distancia del cátodo. Los electrones no tienen que viajar lejos para ir o venir del cátodo y los procesos de carga y descarga son rápidos. Lo bueno de esta idea es que es independiente del sistema químico que utilice la batería, pues sólo está basado en modificaciones sobre el cátodo y, por tanto, se puede aplicar a muchos tipos de baterías.
Para lograr estas estructuras los investigadores recubren con un conductor (níquel) la superficie de mini esferas de poliestireno (de sólo unos poco cientos de nanometros) que forman un bloque. Luego eliminan el poliestireno y queda una red tridimensional llena de huecos que hace de andamiaje sobre el que se puede depositar el compuesto químico que almacena la energía química. El electrodo obtenido, que hará las veces de cátodo, es una especie de esponja metálica ultraporosa en el que el metal sólo representa el 6% del volumen.

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Batería con cátodo nanoestructurado y esquema del proceso de obtención. Fuente: Braun y colaboradores.

Estos investigadores usaron cátodos construidos de la manera mencionada en baterías de ión-litio y en baterías de hidruro de níquel para comprobar el rendimiento del sistema. Descubrieron que se cargaban entre 10 y 100 veces más rápido de lo habitual y su capacidad aumentaba entre un 10% y un 20%.
Todos los procesos implicados se pueden usar en la industria actual y no habría problema en incorporar pronto estos cátodos en baterías comerciales. Creen que no habrá problema en escalar el sistema hasta mayores tamaños.
Sin embargo, todavía no se sabe durante cuanto tiempo se pueden mantener estas cualidades tan buenas, ni cuantos ciclos de carga puede aguantar.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.

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10 Comentarios

  1. tomás:

    Sin pretender poner trabas al progreso, el que las baterías actuales sean lentas en la carga tiene una sencillísima solución:
    Basta que en las estaciones de servicio te pongan una cargada a cambio de la que entregas descargada más el precio de la carga. Con baterías estándar de fácil conexión y situadas en lugar asequible en el coche, sería una operación de 2 o 3 minutos. Las baterías viejas podrían no tener coste al ser entregadas si este se calcula e incluye en el precio de la carga para cualquiera o, si al comprobar su estado, se ve que ha de ser destruida, se le cobra a quien la entrega; solución muy cara e injusta si la que te han entregado antes estaba en las últimas.

  2. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Esa idea se ha propuesto, pero tiene problemas. Uno es el de estar moviendo objetos pesados y tener que pensar el vehículo para que se pueda hacer. Lo segundo es que el número de cargas es limitado y no se garantizaría que la que se toma o se deja esté en buenas condiciones. Las baterías se convertirían en una tragedia de los bienes comunales que todos explotarían pero nadie cuidaría.
    La idea que le vendría a la mente al típico españolito sería la siguiente: recargo la batería en casa para los tramos de todos los días y cuando esté a punto de no funcionar la cambio por una casi nueva en la electrogasolinera.
    Los individuos de determinadas culturas sólo cuidan lo que es suyo y destruyen los objetos “públicos”. Como dijo una ministra: “el dinero público no es de nadie” (en lugar de decir que es de todos), interiorizando así una forma de pensar. Si así piensa la ministra, ¿qué pensarán los demás?

  3. Patricio López:

    Interesante avance, en especial para dispositivos electrónicos (recargar el IPad en segundo sería bien agradable).

    En todo caso, una aclaración en especial por muchos amigos que me la han hecho. El desarrollo de un auto eléctrico eficiente no arregla el problema de la energía. Aunque tenga la misma autonomía, velocidad de carga, rapidez y capacidades de una auto bencinero, la electricidad que carga las baterías tiene que seguir saliendo de alguna parte. Igual necesitaríamos combustible, viento, sol, o radioactividad para generar las monumentales cantidades de energía que se necesitarían.

  4. PACO MARQUEZ:

    El motor eléctrico es 4 ó 5 veces más eficiente, silencioso y no contaminante, por lo que el gasto energético se reduciría enormemente, claro que también debe seguirse una intención política para que los precios de los vehiculos, las tasas, impuestos, etc. favorecieran su desarrollo. Claro que necesitamos energía, pero ¿cuánta energía eólica deja de producirse en España actualmente porque no tiene posibilidad de comercialización ya que el consumo nocturno casi se abastece con nucleares y térmicas que no pueden regular su producción.

  5. Atanasio:

    Una errata, Neo: Cargar la batería requeriría no 15 sino 1,5 minutos. Suerte.

  6. tomás:

    Estimado Neo: Los problemas que expones en tu primer párrafo son de fácil solución. Incluso el de su última línea, pues parece que mucha gente ya se está educando en el reciclaje y llevan la basura cada cosa a su contenedor, incluso aunque en algunos, como los del vidrio, pongan bastantes dificultades incomprensibles. Bastaría dejar las baterías en las estaciones de servicio e incluso percibir un dinero por ellas, que puede calcularse en justicia.
    Lo del segundo párrafo es muy propio de esta forma de ser que nos ha tocado, esta tradicional picaresca tan española, pero también tiene la solución de que la electricidad de la estación de servicio sea más económica que la doméstica. O si eso parece injusto, que lo es pues resultaría comodísimo cargar durante la noche, podrían hacerse las baterías de tal modo que pudiera examinarse su estado antes de admitirlas o concebir los instrumentos necesarios para poder saberlo sin desmontar y negar el recambio a partir de un determinado deterioro. Sin embargo se me ocurre que se precisarían ciertas medidas de seguridad para esto de los aparcamientos, como que la intensidad fuese lo suficientemente baja, lo que haría muy lenta la recarga -varias horas- y sólo útil para los que usan poco el coche.
    De todas formas si, como dice Atanasio, puede tardarse 1’5 minutos, mi propuesta no merece la pena, pero sí eso de cargar en el aparcamiento.
    El tema de la ministra cae dentro de mi estima y medida del talento de nuestros políticos. Por eso me ha convencido lo del azar. Aunque incluso así habría que exigir algún examen de cultura y psicológico, no nos fuera a salir un Hitler o on Alí Babá.
    Un cordial saludo.

  7. tomás:

    Estimado PACO MARTINEZ: Puedo admitir, pues no lo sé, que el motor eléctrico sea 4 o 5 veces más eficiente que el de explosión, pero habría que calcular el rendimiento de la transformación de la energía en una central térmica en electricidad, que debe ser muy bajo. Me refiero desde el combustible ya capaz de ser quemado hasta la estación de servicio, con las pérdidas del transporte eléctrico. Lo mismo sucede en los otros casos: hidráulica, eólica, nuclear, etc.
    Creo que las nucleares y térmicas sí pueden regular su producción. Otra cosa es que les interese seguir produciendo aun vendiendo más barato en ciertos horarios. Las que no pueden regularse son las eólicas y solares porque no puede hacerse ni con su producción, a no ser que algún día se logre un sistema de almacenamiento. Otra que tiene dificultades es la hidráulica, pues su única defensa sería dejar escapar el agua.
    Un cordial saludo.

  8. NeoFronteras:

    Estimado Atanasio:
    Casi todas las baterías se cargan muy rápido al principio cuando están descargadas totalmente, pero según aumenta la carga el proceso se hace más lento, de ahí lo de 10-100 veces más rápido en este caso. Naturalmente tratarán de vender la cifra más favorable.
    Pero es verdad que haber escogido el número más conservador quizás sea excesivo, así que se ha dejado en “unos minutos”.

  9. Patricio López:

    @PACO MARQUEZ:

    Tomás tiene toda la razón: igual en las centrales el ciclo termodinámico tiene un 40% máx. de eficiencia. Pueden usarse centrales de ciclo combinado u otras más eficientes, pero el problema de nuestra sociedad sigue siendo de donde sacar más energía.
    Sin ánimo de tornarme apocalíptico, tal vez estemos alcanzando los límites que en su momento planteó Malthus y estemos llegando a los límites de población para los cuales se pueda proveer el estilo de vida que estamos promoviendo.

  10. NeoFronteras:

    Estimado Patricio López:
    Los límites maltusianos hace tiempo que los hemos sobrepasado, ya consumimos más de lo que el planeta produce y, sin embargo, todavía hay mucha gente que es muy pobre o se muere de hambre.
    Un colapso de la civilización es inevitable si no cambiamos nuestro estilo de vida.
    Ni siquiera la existencia de una fuente de energía inagotable y sin coste solucionaría algo, ya que con la energía (barata) que hemos estado disfrutado hemos destruido gran parte de los ecosistemas terrestres (el 50% de la selva tropical, por ejemplo, ha sido destruida en sólo 20 años) y con más energía destruiríamos aún más.

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