Nuevas tecnologías para baterías: desarrollos prometedores

Introducción

El almacenamiento barato y eficaz de energía, en particular de electricidad, continúa siendo un importante cuello de botella tecnológico. Un descubrimiento en esta área tendría un impacto mundial fundamental. En primer lugar, disminuiría las pérdidas de energía de las fuentes de energía clásicas ( por ejemplo, la electricidad fuera de las horas punta) y en segundo lugar, daría un impulso a la energía renovable, en especial a las fuentes no constantes como el sol y el viento. Este efecto combinado reduciría significativamente la producción de CO2 y la dependencia de los combustibles fósiles. Además, alentaría la producción descentralizada de energía y, por consiguiente, daría una oportunidad mejor para el desarrollo progresivo en países faltos de recursos financieros para inversiones importantes en infraestructura. También abriría el mercado a los vehículos eléctricos, que hoy sufren dificultades por las limitaciones de sus baterías. Otro beneficio secundario podría ser una disminución de la producción de baterías de desecho, gracias a la extensión de la vida de las baterías y a la reducción del uso de metales pesados. Conseguir esto sería un paso importante en nuestro progreso hacia el desarrollo sostenible.

Un medio barato y eficaz de almacenar electricidad haría posible una producción más descentralizada de electricidad y de este modo una explotación más efectiva de los recursos renovables

La electricidad es el grado más alto de energía útil y puede ser transportada fácilmente a largas distancias con poca pérdida. No obstante, adolece del importante inconveniente de que hasta ahora ha sido imposible almacenarla eficazmente, de modo que la producción eléctrica ha tenido que ajustarse siempre a la demanda. Los métodos y tecnologías actuales para el almacenamiento de electricidad (EUR-11940-EN) incluyen la acumulación por bombeo, baterías, hidrógeno, pilas de combustible con almacenamiento electroquímico y almacenamiento de energía magnética superconductora.

Las baterías son probablemente la forma más importante de almacenamiento de electricidad. Su flexibilidad y facilidad de uso ha proporcionado al almacenamiento químico de electricidad una posición importante en el mercado. Las baterías se presentan en una variedad de formas y de tamaños y las características más importantes por las que pueden definirse se resumen en el Cuadro 1.

Cuadro 1. Características técnicas de una batería

Energía específica (Wh/kg): es la cantidad de energía que la batería puede almacenar por unidad de peso. Cuanto más alta, mejor. Para el acumulador de plomo, es aproximadamente 50Wh/kg.

Potencia específica (W/kg): es la potencia que la batería puede suministrar por unidad de peso. De nuevo, cuanto mayor es esta cifra, más aplicaciones posibles tiene la batería. Para un acumulador de plomo típico, es alrededor de 450 W/kg.

Densidad de energía (Wh/l): es la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen. De nuevo, cuanto más alta, mejor. Para un acumulador de plomo típico, es alrededor de 90 Wh/l.

Eficacia (%):es la fracción de electricidad que devuelve la batería en proporción a la cantidad de electricidad que ha sido necesaria para cargarla. Cuanto más alta, mejor, idealmente el 100%. También es importante que una batería mantenga su eficacia en función del tiempo de almacenamiento. Para un acumulador de plomo típico es del orden del 95%. Este valor es también función del valor de autodescarga. Para un acumulador típico, es del orden de 3-4% mensual.

Número de ciclos de carga-descarga: es el número de veces que la batería puede ser recargada para recobrar su capacidad completa después de su uso. Es una indicación de la duración de vida de la batería. De nuevo, cuanto más alto, mejor. Para un acumulador de plomo, es del orden de 800.

Tiempo de recarga normal (h): es el tiempo necesario para recargar completamente la batería. Cuanto más corto, mejor. Para un acumulador de plomo típico, es del orden de 3 horas.

Tiempo de recarga rápida (50% y 99%): estos son los tiempos necesarios para recargar la batería a la mitad o al 99% de su capacidad. Esta característica es útil solamente si la recarga de la batería es lenta. Por supuesto, cuanto más corto sea este tiempo, mejor. Para un acumulador de plomo típico, es del orden de 8 minutos para media carga y 30 minutos para el 99% de carga.

Coste (e/kWh): el coste de la batería por unidad de energía almacenada, esencial para aplicaciones económicas. Para un acumulador de plomo típico es del orden de 350 e/kWh. En comparación, el coste medio de electricidad en Europa es alrededor de 8-10 céntimos de e/kWh.

Obsérvese que muchas de estas características son interdependientes y que pueden depender del modo cómo se utilice la batería.

Hay dos procedimientos para clasificar las baterías. El primero es separarlas en baterías de un solo uso (baterías primarias) y baterías recargables (secundarias). Pero, como las especificaciones de una batería se definen principalmente por su uso, éste es el que determina la clasificación más importante. Conforme a esto, el International Battery Council divide las baterías en tres categorías. Primero, el grupo de baterías industriales que incluye baterías de fuerza motriz (por ejemplo, camiones industriales) y baterías de energía de reserva (por ejemplo, telecomunicaciones, suministros de energía ininterrumpibles, baterías fotovoltaicas, almacenamiento de energía a granel). Las baterías para coches eléctricos comprenden la segunda categoría y las baterías pequeñas, la tercera.

El almacenamiento químico de la electricidad tiene la limitación fundamental de que los componentes inertes que forman la estructura de la batería hacen su densidad de energía considerablemente menor que la de los combustibles fósiles

La Tabla 1 muestra una comparación de las baterías conforme a sus parámetros técnicos principales e indica la aplicación principal de cada tipo de batería (informe ETSU, 1994).

Productos electrónicos portátiles

Estas comparaciones son aproximadas porque no hay métodos estándar para comparar los valores mostrados.

Los valores ideales para todos estos parámetros varían conforme a las aplicaciones y la teoría química indica que aún hay margen para mejorar. El almacenamiento químico de la electricidad tiene limitaciones intrínsecas. En primer lugar, en una batería, la electricidad debe almacenarse en los componentes químicos, generalmente sólidos inorgánicos, a los que hay que dar la forma adecuada. En segundo lugar, cuando se comparan con los combustibles fósiles, su densidad de energía es mucho menor porque todos los componentes químicos de los combustibles fósiles pueden transformarse en energía (no hay componentes inertes). Esta "limitación" es el principal factor responsable del bajo factor de energía específica de las baterías. Por ejemplo, la densidad de energía de los combustibles es 15 veces más alta que el máximo teórico de un acumulador de plomo. La Figura 1 muestra las diferencias en densidad de energía de diferentes combustibles y baterías.

Figura 1. Densidad de energía (MJ/I) para diferentes fuentes de energía

Fuente: Int.J.Hydrogen energy, sept. 1996.

En general, las baterías comerciales son demasiado pesadas, contienen demasiado poca energía, necesitan demasiado tiempo para cargarse y su fabricación es aún demasiado cara (considérese la viabilidad comercial de los vehículos eléctricos en el mercado de consumo). Más específicamente, en términos de energía, los acumuladores de plomo están limitados intrínsecamente por el elevado peso atómico del plomo y los niveles de utilización relativamente pobres dados por la química de la placa positiva de la batería. Las baterías de Ni-Cd tienen una capacidad de energía alta, pero necesitan ser recicladas. Las baterías de litio, por su parte, tienen la densidad de energía teórica más alta de todas las baterías comerciales recargables, pero tienen altos costes de fabricación y de I+D. Una limitación futura de las baterías podría ser también la escasez de algunos elementos (por ejemplo cobalto), especialmente si tienen que ser utilizados extensamente. Las baterías de polímeros se benefician de su peso reducido, pero adolecen de inestabilidad del polímero y de una tasa alta de autodescarga.

Las baterías de litio tienen la densidad de energía teórica más alta de todas las baterías comerciales recargables, pero adolecen de elevados costes de fabricación y de I+D

Un problema adicional de las baterías es su bajo rendimiento. Por ejemplo, un acumulador de plomo comercial suministra alrededor de 55 Wh/kg, es decir, solamente el 21% de su máximo teórico. Las razones de este bajo rendimiento son las pérdidas de energía que tienen lugar en la solución de ácido sulfúrico, agua, parrillas, conectores, separadores de las pilas, y otros componentes de las baterías.

La eliminación de las baterías puede ser también una fuente de preocupación medioambiental y sanitaria. El plomo, mercurio y cadmio son los metales más peligrosos utilizados en las baterías. Sin embargo, todos los tipos de tecnología de baterías usan compuestos potencialmente peligrosos. El reciclado o la eliminación controlada son las únicas opciones para reducir al mínimo los riesgos mientras los metales pesados continúen siendo componentes esenciales de las baterías. En esta línea, la Dirección de Medio Ambiente de la Comisión Europea (DG-XI), está estudiando con los fabricantes de baterías europeos, una propuesta para prohibir la venta de baterías que contengan metales pesados desde el año 2008. Adicionalmente, una directiva europea reciente (98/101/EC, 22 dic. 1998), instigada por la industria, limitará la comercialización de baterías que contengan mercurio a partir del 1 de enero del año 2000. La DG-XI está estudiando también la recogida y reciclado de baterías industriales y de consumo. Sin embargo, incluso países como Holanda y Suiza, que han llevado a la práctica programas de recogida de baterías desde hace diez años, no han conseguido tasas de recogida muy altas. Además, incluso los planes de recogida satisfactorios han conducido simplemente a grandes depósitos de baterías esperando sistemas de reciclado que sean operativos. En Europa, Japón y EE.UU., hay instalaciones de reciclado con amplia capacidad, pero sólo pueden recuperar el 80% del cadmio de las baterías. (Renewable energy world, julio 1998). Sin embargo, hay algunos proyectos de demostración en esta línea que están consiguiendo tasas más altas de recuperación de metales pesados de las baterías.

Todas las tecnologías de baterías actuales usan sustancias potencialmente peligrosas, por lo que la eliminación de la batería puede ser una fuente de preocupación medioambiental

Otro problema es que los diseños actuales de baterías no son adecuados para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, aproximadamente el 80% de los módulos fotovoltaicos se usan en sistemas autónomos. Obtener energía continua de esos sistemas requiere memoria de tránsito, típicamente en forma de baterías recargables. Sin embargo, una batería se comporta de modo diferente en aplicaciones fotovoltaicas que en las más tradicionales, tales como el transporte, debido a diferentes condiciones de funcionamiento que pueden reducir la duración de la batería (Renewable energy world, 1998).

El mercado en expansión, y recientes desarollos de I+D

El volumen del mercado mundial de baterías es de alrededor de 30.000 millones de Euros/año. La producción de baterías en Europa es mayor que en EE.UU.: 800 millones de Euros en comparación con 500 millones de Euros (1992). Más de 200 empresas fabrican baterías en todo el mundo, pero la mayoría de los sectores están enormemente concentrados en unas pocas ramas. Se espera que el mercado mundial de baterías aumente notablemente en el futuro. Por ejemplo, la demanda agregada de baterías primarias y secundarias se espera que aumente un 6,6% anual en los próximos años, y un 7% solamente para las baterías secundarias. El mercado de baterías para ordenadores portátiles y dispositivos de comunicaciones personales de las siguientes generaciones (por ejemplo, tarjetas inteligentes), continúa originando un fuerte crecimiento de la demanda de baterías recargables. Además, se esperan para los próximos años algunas ventas de baterías para vehículos eléctricos/híbridos, lo que contribuirá al crecimiento. La demanda futura de mejores baterías está, por consiguiente, garantizada.

Se espera que la demanda de baterías continúe creciendo, estimulada por el crecimiento del mercado de dispositivos de comunicaciones y de ordenadores personales

Los hidruros de metal/níquel, plomo/ácido, níquel-cadmio, litio recargable e hidrógeno-níquel, están entre los compuestos químicos para baterías que actualmente rivalizan por encabezar el mercado de las baterías secundarias. Están apareciendo las baterías recargables a base de litio y pueden ser las principales sucesoras de la química de níquel-cadmio que ha dominado las aplicaciones para los equipos electrónicos portátiles hasta la fecha.

Basándose en previsiones de expansión de mercado, para la próxima década se predice un fuerte esfuerzo en I+D en estas tecnologías. Consciente de este hecho, la Comisión Europea ha aumentado significativamente la financiación de I+D en esta área.

Existen hoy cuatro motores principales de la investigación y desarrollo de baterías. El primero es la presión general en materia de reglamentos para reducir la exposición medioambiental a sustancias peligrosas. El segundo es la presión para lograr un coche eléctrico, en respuesta a la legislación medioambiental para reducir la contaminación del aire en las ciudades. El tercero es la presión europea en materia de reglamentos para mejorar la recogida y reciclabilidad de baterías, y el cuarto es el deseo de mejorar la "portabilidad" de muchos artículos electrónicos, como los ordenadores portátiles y los asistentes digitales personales, aumentando el rendimiento de sus baterías.

La elevada eficacia, la posibilidad de permanecer en reserva en cualquier estado de carga y la opción de carga rápida por cambio del electrolito o por carga eléctrica, hacen de la batería de vanadio una alternativa interesante al acumulador de plomo para usos estacionarios y de tracción. Una gran batería de 200 kW/800 kWh se está ensayando ahora en Japón. El supercapacitor es otro nuevo sistema de almacenamiento de electricidad. Basado en electrodos de carbono, las capas dobles le dan una elevada densidad de energía para una descarga rápida. Añadiendo un par redox, el tiempo de descarga aumentará y hará que el supercapacitor sea útil como batería elevadora de voltaje, por ejemplo, para vehículos eléctricos.

El acumulador de plomo bipolar es un diseño de acumulador de plomo alternativo con aplicaciones potenciales en vehículos eléctricos e híbridos. Está diseñado para corrientes de alta carga y descarga durante períodos cortos (30-60 seg). El concepto se basa en una pared de separación hecha de placas cerámicas porosas delgadas, que se han hecho conductoras por electrodeposición de plomo en sus poros. Una lámina de plomo se deposita sobre el disco cerámico por electrodeposición y se transforma después en plomo y dióxido de plomo activo. La batería bipolar también funcionará bien como batería de arranque, con un peso sólo 1/3 del de una batería ordinaria.

Actualmente se están investigando una variedad de tecnologías prometedoras con la idea de aumentar las densidades de energía y eliminar los componentes más tóxicos

La batería de Ni-Cd contiene materiales, en especial Cd, que son potencialmente peligrosos. La OCDE, por consiguiente, recomienda que se tomen precauciones para reducir el riesgo de este tipo de batería, en particular sistemas efectivos de recogida y eliminación. No obstante, a pesar de la prohibición propuesta en Europa, el Ni-Cd continuará siendo usado durante muchos años en Europa y también en países como China e India, donde la industria de las baterías está en expansión. Está justificada, por consiguiente, la investigación sobre la cinética del electrodo de cadmio, ya que electrodos más eficaces reducirán a la larga la cantidad de cadmio requerida. La investigación de este sistema de baterías está examinando también factores que acortan la vida de las baterías.

La batería de hidruro de metal-níquel (Ni-MH) es un sistema más ecológico que el Ni-Cd. Los electrodos-MH pueden sustituir gradualmente a los de cadmio. Las baterías Ni-MH para vehículos eléctricos aún tienen problemas que superar: su coste será más alto que el de las de Ni-Cd y su rendimiento tiende a deteriorarse progresivamente con el uso.

Las baterías a base de litio (Li) ( que ofrecen elevada descarga de drenaje y baja temperatura de utilización), son muy prometedoras para los equipo portátiles y los vehículos eléctricos. Las propiedades más interesantes de las baterías de ion Li en aplicaciones de vehículos son las elevadas energía específica y densidad de energía, que proporcionan a los coches eléctricos una autonomía de hasta 200 km. Un sistema de batería completo optimizado alcanza 120 Wh/kg y 200 Wh/l.

Como ejemplo de los resultados de la investigación en baterías, los investigadores japoneses han desarrollado una batería para coches eléctricos que triplica la capacidad actual de las baterías y reduce significativamente el tiempo de recarga (El País, 1998). En la misma línea, se investiga triplicar el voltaje de la batería de los coches, como un modo de disminuir las emisiones peligrosas de los coches propulsados por motores de combustión interna.

La estructura de la investigación en tecnología de las baterías revelada por análisis bibliométrico sugiere que la tecnología está madurando

La madurez de la I+D de las baterías se ha demostrado a través del análisis bibliométrico, examinando todas las publicaciones relativas a baterías que aparecieron en 1998 recogidas en tres bases de datos científicas en línea (Pascal, Compendex y Derwent). De los 346 artículos analizados, el 65% del trabajo en colaboración se realizó entre universidades, el 30% entre universidades y empresas y el resto entre empresas. Estas relaciones son típicas de una tecnología madura.

El análisis de las palabras en los títulos y en las palabras clave de las publicaciones reveló la importancia que actualmente se está dando a la investigación en baterías de litio. La palabra litio (o las palabras relacionadas con ella), aparece ocho veces más que la palabra plomo, níquel o cadmio. Esta cifra refleja el esfuerzo de I+D que se está dedicando a una tecnología muy prometedora, no sólo en términos de eficacia sino también en términos de reducción del peso de las baterías. El análisis bibliométrico también ha demostrado que se dedica un gran esfuerzo a adaptar baterías a diferentes tipos de uso.

Conclusiones

El almacenamiento de electricidad es la tecnología de almacenamiento de energía más atractiva, pero continúa siendo un importante cuello de botella tecnológico. Un descubrimiento en esta área tendría un impacto fundamental en todo el mundo. En primer lugar, disminuiría espectacularmente las considerables pérdidas de energía de las fuentes de energía clásicas (por ejemplo, electricidad fuera de horas punta) y en segundo lugar, daría un impulso a las energías renovables, en particular las fuentes intermitentes como el sol y el viento. Este efecto combinado reduciría significativamente la producción de CO2 y la dependencia de los combustibles fósiles. Además, estimularía la producción descentralizada de energía y mejoraría las perspectivas de desarrollo progresivo en países faltos de recursos financieros para inversiones importantes en infraestructura.

Entre las tecnologías de almacenamiento de electricidad, las baterías son muy prometedoras porque su tecnología puede beneficiarse aún del desarrollo y tienen el potencial de disparar una cascada de descubrimientos tecnológicos. Por ejemplo, la capacidad real actual de los mejores acumuladores de plomo es sólo el 20% del máximo teórico. Los desarrollos en tecnologías de baterías alternativas son esperanzadores.

Esto hace la inversión en I+D de baterías enormemente valiosa, y el incremento reciente de la financiación europea de I+D para investigación de baterías en el Quinto Programa Marco es un paso en la dirección correcta. El esfuerzo llevará a un progreso sostenido y significativo en la tecnología de baterías.

Palabras clave

baterías, almacenamiento de electricidad, Quinto Programa Marco

Agradecimientos

El autor agradece los comentarios de: A. Dorda (IPTS), H. Hernández (IPTS), J.L. Tirado (Univ.Córdoba, ES), Z. Ogumi (Universidad de Kyoto, JP), F. Tedjar (Instituto Politécnico de Grenoble, FR), R. Barlow (European Portable Battery Association, BE). E. Beaurepaire (European Battery Recyclers Association, FR).

Referencias

Corporate Research Energy and Global Change, Presentación 22.8.1996.

New technology week, Nov. 15, 1993.

Warmer Bulletin N° 60, p 13, New guidance on rechargeable batteries.

The Freedonia Group, Inc.

El País, 18 agosto 1998.

Secondary Batteries for Automotive Applications, ETSU report, Londres 1994.

Renewable energy world, Vol 1, N.1, p 40.

Isings, J., Braun, A. R., Electricity Storage Technologies, - Literature SurveyEUR-11940-EN.

Contactos

Miquel A. Aguado-Monsonet, Instituto de Prospectiva Tecnólogica (IPTS)

Tel.: +34 5 448 82 90, fax: +34 5 448 82 79, correo electrónico: miguel.aguado@jrc.es

Laurent Bontoux, European Commission DG-XII

Tel.: +32 2 299 13 63, fax. +32 2 296 43 22, correo electrónico: laurent.bontoux@dg12.cec.be

Sobre los autores

Miquel A. Aguado-Monsonet obtuvo el grado de Doctor en Ingeniería Química en la Univesidad de Barcelona. Después de ejercer como profesor de Química e Ingeniería química empezó a trabajar en el IPTS en proyectos relacionados con energías renovables. Está interesado especialmente en los campos de la Energía, Ingeniería Química y Medioambiental y actualmente es responsable del proyecto "Implantación de esquemas de energías renovables en los países del sur del Mediterráneo" Proyecto JOULE.

Laurent Bontoux posee un título en ingeniería de alimentos de la ENSIA (Francia) y es doctor en ingeniería medioambiental por la Universidad de California, Berkeley (EE.UU.). Trabaja actualmente en la DG-XII de la Comisión Europea y fue anteriormente colaborador científico del IPTS y científico de seguridad en Proctor & Gamble. Su especialización abarca el tratamiento de aguas residuales, ecotoxicología, seguridad química, gestión medioambiental y gestión de residuos.

The IPTS Report, is the refereed techno-economic journal of the IPTS,edited by D. Kyriakou, published monthly in English, French, German and Spanish.