Las baterías industriales lideran el almacenamiento de energía

Las baterías son equipos que almacenan energía y posteriormente la liberan a demanda. Si bien las baterías cotidianas generan energía eléctrica mediante la conversión directa de energía química, el concepto de almacenamiento de energía se ilustra claramente con la 'batería de agua' del sistema de almacenamiento por bombeo de Nant de Drance. Situada en lo alto de los Alpes suizos, tiene una capacidad de almacenamiento de energía eléctrica superior a la de 400.000 baterías de coches eléctricos.

Esta "batería de agua" funciona con generadores hidroeléctricos y dos embalses, uno superior y otro inferior. Durante las horas puntas, se libera agua del embalse superior para generar electricidad. Cuando hay una sobreproducción de energía, el agua se bombea de nuevo y se almacena para su uso futuro. 

Aunque se trata de un modelo fascinante, la batería de agua difiere de las baterías portátiles comunes que suministran electricidad a muchas de las funciones esenciales de la vida moderna. Las baterías convencionales son celdas o series de celdas electroquímicas que producen corriente eléctrica. 

Pocas tecnologías son más importantes en el empeño de la industria por reducir las emisiones de dióxido de carbono que las baterías electroquímicas. Suministran electricidad a vehículos eléctricos, almacenan la electricidad de los paneles solares y turbinas eólicas y estabilizan la red eléctrica. En las dos últimas aplicaciones anteriores, las baterías desempeñan un papel crucial en la expansión económica de las fuentes de energía renovables. 

Dado el singular impacto medioambiental de las baterías, incluyendo la extracción, la eliminación y todo el ciclo de vida de la producción es necesario realizar un análisis exhaustivo. De esta manera se garantiza que la transición energética no sustituya un conjunto de problemas ambientales por otro igualmente perjudicial.

Las baterías electroquímicas se clasifican en tres categorías principales: primarias, secundarias y terciarias, cada una con diversas configuraciones de celdas. Asimismo, la utilización de distintos metales y electrolitos en estas diferentes categorías permite obtener las propiedades adecuadas para una variedad de aplicaciones finales.

También conocidas como baterías de un solo uso, las baterías de celdas primarias no pueden recargarse y deben desecharse después de usarlas. Suelen utilizarse en equipos portátiles como linternas y otros aparatos electrónicos de gran tamaño. Algunos ejemplos son las baterías alcalinas, las pilas de zinc y carbono y las primarias de litio.

Las pilas alcalinas son las baterías más populares de un solo uso. Las baterías no recargables forman parte de la categoría más económica y mantienen un índice de descarga constante a lo largo de toda su vida útil, con un rendimiento fiable. Sin embargo, a pesar su comodidad, debido a su naturaleza de un solo uso, las baterías alcalinas no son respetuosas con el medioambiente.

Las baterías recargables, también conocidas como baterías secundarias, pueden recargarse y reutilizarse varias veces. A diferencia de las baterías primarias, que están diseñadas para usarse una sola vez, utilizan un potencial eléctrico externo para invertir la reacción química de descarga, de modo que pueden utilizarse repetidas veces. Estas celdas presentan diversas configuraciones químicas: plomo-ácido, níquel-cadmio (Ni-Cd), níquel-hidruro metálico (Ni-MH) e iones de litio (Li-ion). Las baterías recargables, en general, son más caras que las baterías primarias y algunas precisan de una manipulación adecuada para evitar que se sobrecalienten, lo que provoca incendios o explosiones.

Las baterías terciaras son el tipo menos común de baterías. A diferencia de las baterías primarias y secundarias, sus celdas están separadas de otros componentes hasta que se activan. El electrolito es el componente que se aísla con más frecuencia.

Las baterías de reserva eliminan eficazmente la posibilidad de autodescarga y minimizan el deterioro químico. La mayoría de las baterías de reserva son de tipo térmico y se utilizan casi exclusivamente en aplicaciones militares.

El resto de este artículo se centrará en las baterías recargables de iones de litio (Li-ion), que son las más comunes.

Las baterías de iones de litio son las preferidas para una amplia gama de aplicaciones dada su larga duración, alta densidad energética y características de voltaje ideales. La larga lista de aplicaciones incluye audífonos diminutos, teléfonos móviles, ordenadores, bicicletas y vehículos eléctricos e incluso sistemas de almacenamiento de energía a gran escala.

Las baterías de iones de litio suelen utilizar materiales diferentes para el ánodo (electrodo negativo) y el cátodo (electrodo positivo). Cualquier material conductor, como metales, semiconductores, grafito o polímeros conductores, puede utilizarse como electrodo.

Los materiales de los electrodos positivos afectan significativamente al rendimiento, a los ciclos y a la vida útil de las baterías de iones de litio. El electrolito transporta iones de litio cargados positivamente entre el ánodo y el cátodo, mientras que el separador bloquea el flujo de electrones dentro de la batería, permitiendo el paso de los iones de litio.

En el ánodo cargado negativamente se produce una reacción de oxidación y se liberan electrones que se desplazan hacia la parte externa del circuito. La mayoría de las baterías de iones de litio emplean una mezcla de grafito en el ánodo, que consiste en una combinación de grafito natural extraído de la tierra y grafito sintético, obtenido a través del calentamiento de coque de petróleo. La mezcla resultante tiene una estructura en capas, lo que permite que los iones de litio entren en las capas durante la carga y salgan durante la descarga.

El cátodo es el electrodo positivo de una celda, en el cual se produce una reacción química de reducción. Las baterías de iones de litio utilizan diversos materiales en el cátodo como, por ejemplo, óxido de litio y cobalto, fosfato de hierro y litio y óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto. Estos materiales pueden aceptar y liberar de forma reversible iones de litio dentro y fuera de su estructura cristalina durante los ciclos de carga y descarga.

Los fabricantes de baterías de iones de litio deben obtener minerales de alta calidad y de una pureza excepcional. En consecuencia, más de la mitad del coste de fabricación de las baterías de iones de litio se concentra en el cátodo y el ánodo. El montaje del cátodo, el separador, los ánodos y los colectores de corriente también requiere un montaje preciso, incluida la colocación de capas individuales y la envoltura.

Las baterías de iones de litio existen desde hace unos 30 años y, en este período, han experimentado un crecimiento exponencial.

Sin embargo, otras baterías recargables, como las de plomo-ácido, Ni-Cd y Ni-MH, existen desde hace más de un siglo. A continuación se describen las ventajas y desventajas de cada una de ellas.

Las baterías de plomo-ácido existen desde finales del siglo XIX y actualmente, todavía se utilizan ampliamente. Estas baterías son rentables, reciclables y no necesitan sistemas complejos de gestión de baterías para llevar a cabo su mantenimiento. Sin embargo, tienen una energía específica baja y un número de ciclos limitado en comparación con otras baterías. Las baterías de plomo-ácido se utilizan en sillas de ruedas, carros de golf, automóviles con motores de combustión interna y en sistemas de iluminación de emergencia. Debido a la presencia de plomo, una sustancia tóxica, al final de su vida útil deben ser eliminadas por profesionales.

Las baterías de Ni-Cd están formadas por hidróxido de óxido de níquel, electrodos de cadmio metálico y un electrolito de hidróxido de potasio alcalino. Una de sus principales ventajas es su capacidad para cargarse rápidamente. Sin embargo, esta ventaja comporta también una desventaja significativa: una alta tasa de autodescarga. Además, el cadmio, al igual que el plomo, es tóxico.

Las baterías Ni-MH ofrecen mejoras significativas en comparación con las Ni-Cd, incluyendo un aumento del 30 % en la densidad de carga por volumen y una tasa de autodescarga considerablemente más lenta. No obstante, tardan más en cargarse y son especialmente susceptibles a la pérdida de capacidad con cargas repetidas.

En comparación con otras baterías secundarias, las baterías de iones de litio representan un desarrollo moderno y avanzado. Ofrecen una combinación inigualable de alta energía y densidad de potencia, además de una relación peso-energía superior en comparación con los tres tipos de baterías anteriores. Sin embargo, las baterías de iones de litio son extremadamente inflamables, por lo que es necesario disponer de un circuito de protección y manipularlas con sumo cuidado.

Se prevé que en un futuro cercano dispondremos de nuevas generaciones de baterías avanzadas de iones de litio. Las baterías de litio-azufre, en las cuales el ánodo de litio se consume y el azufre se convierte en diversos de compuestos químicos, son solo un ejemplo de ello. Las baterías de estado sólido también presentan un gran potencial, si bien este concepto aún no ha superado la fase de laboratorio y todavía no ha alcanzado la viabilidad comercial.

En plena transición energética, el futuro de las baterías nos afecta a todos. Esto incluye los materiales empleados, el origen y método de extracción de los metales, así como su eliminación y, preferentemente, su reutilización. El desarrollo de baterías sostenibles debe tener en cuenta la importancia de las materias primas y prestar la debida atención al abastecimiento, la eliminación y la eventual reutilización de estos minerales.