Hitos para la investigación en baterías y energía

Cambio climático, aumento de CO2 por un lado y una población mundial en crecimiento con recursos cada vez más escasos por otro, alimentan la discusión sobre la salida de la energía basada en carbón y el reemplazo de combustibles fósiles. La transición energética, ampliamente demandada, genera grandes expectativas y presenta desafíos aún mayores. Los paquetes de protección climática y los diversos programas para reducir las emisiones de CO2 son solicitados y desarrollados por la comunidad científica, la industria y la política por igual. Tecnologías futuras como la generación de energía alternativa y los conceptos innovadores de almacenamiento de energía, así como los nuevos materiales necesarios para ello, son imprescindibles y esenciales para la implementación exitosa de la transición energética. Grandes expectativas se depositan en la investigación de baterías, y la movilidad eléctrica incluso se considera el portador de esperanza. La carrera contra el tiempo y las mejores ideas ha comenzado.

Tecnologías futuras

Actualmente y en un futuro cercano, las baterías de litio siguen siendo las principales en la generación de energía móvil y en la alimentación de energía estacionaria. Solo gracias a ellas fue posible y práctica la movilidad eléctrica. Sin embargo, debido a la escasez de recursos, se necesitan urgentemente alternativas. Dado que el desarrollo de sistemas de baterías de alto rendimiento resulta ser sumamente complejo, requiere estrategias de investigación interdisciplinarias y redes en la ciencia y la industria.

Baterías de próxima generación

El desarrollo de almacenamientos de energía sostenibles y respetuosos con el medio ambiente es uno de los grandes desafíos de la transición energética. Las baterías de iones de litio, que se han utilizado con gran éxito hasta ahora debido a su excelente densidad de energía y rendimiento, tienen un alto potencial de mercado, pero en su fabricación, en relación con la energía y la creciente demanda de materias primas valiosas y escasas como el litio y el cobalto, se han vuelto extremadamente costosas y cuestionables. Por ello, cada vez se exige más alternativas más eficientes energéticamente, de mayor rendimiento, más económicas y más respetuosas con el medio ambiente. Las baterías de iones de sodio podrían ofrecer soluciones adecuadas en el futuro.

La necesidad de investigación es alta. "Esta línea de investigación está experimentando un auge vertiginoso. En Alemania, la Sociedad Alemana de Investigación (DFG) ha establecido en abril un programa de enfoque (12,6 millones de euros, duración de 6 años) y la UE un Red de Formación (ITN, 4 millones de euros, duración de 4 años), ambos programas que puedo coordinar", comparte el profesor Dr. S. Ulrich Schubert del "Centro de Química de Energía y Medio Ambiente" (Centro de Química de Energía y Medio Ambiente Jena - CEEC Jena) de la Universidad Friedrich-Schiller. "El interés y la inversión de Evonik Industries AG muestran claramente el potencial económico. Y sigue habiendo un interés extremadamente grande desde China y Japón."

El Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) también financia el proyecto conjunto "Transition" con 1,15 millones de euros para un almacenamiento de energía más sostenible. Participan en el proyecto el Instituto Helmholtz de Ulm (HIU), fundado por el Instituto Karlsruhe de Tecnología (KIT), el Centro de Investigación en Energía Solar e Hidrógeno de Baden-Württemberg (ZSW) y nuevamente la Universidad Friedrich-Schiller de Jena (FSU). El objetivo es desarrollar una alternativa a las baterías de iones de litio tradicionales. En este proyecto, los científicos también investigan materiales activos y electrolitos adecuados para baterías de iones de sodio de próxima generación.

"Las baterías basadas en polímeros, es decir, baterías que utilizan polímeros como materiales activos para el almacenamiento de energía eléctrica, han sido investigadas intensamente desde 2011 en mi grupo de trabajo", señala el profesor Schubert. "Por primera vez, pudimos presentar una batería de película delgada producida mediante impresión por chorro de tinta. También patentamos y publicamos una serie de nuevos materiales activos. La empresa Evonik Industries AG está en proceso de comercializar estos nuevos polímeros como tintas imprimibles (bajo la marca 'TAeTTOOz')".

Las baterías innovadoras deben ser sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, económicas y además de alto rendimiento. El desarrollo de nuevos almacenamientos de energía sin metales y basados en polímeros abre áreas de aplicación prometedoras en el sector de la salud, en la sensórica y para el Internet de las cosas. "Esto afecta principalmente al ámbito de las baterías de película delgada imprimibles. Desde etiquetas RFIT activas hasta 'parches' para transmitir funciones de salud y ropa inteligente", añade el profesor Dr. Ulrich Schubert.

Eficiencia energética y alto rendimiento

Las baterías también deben demostrar su funcionamiento y rendimiento en las condiciones más difíciles. Al mismo tiempo, deben descartarse potenciales peligros y riesgos en caso de uso incorrecto y destrucción a lo largo de todo su ciclo de vida. Y, en particular, en el debate sobre la movilidad eléctrica, la durabilidad a largo plazo de las celdas de batería está en el centro de atención.

Las nuevas baterías a base de plásticos ofrecen numerosas ventajas frente a las baterías de iones de litio establecidas. La fabricación de estas baterías ya es mucho más eficiente en energía debido a los materiales orgánicos y poliméricos utilizados. Los polímeros como materiales activos requieren una huella de carbono mucho menor en su producción. Además, en general, son menos tóxicos y menos inflamables. Y estas baterías pueden procesarse mediante técnicas de impresión (impresión en malla, impresión por chorro de tinta, impresión rollo a rollo).

Lo mismo se aplica a su uso. Finalmente, la eliminación y el reciclaje son más ecológicos y mucho más económicos. Las baterías con polímeros como material activo en los electrodos también son más sostenibles, ya que se puede prescindir del uso de metales pesados. El prototipo de batería de iones de sodio, como el del proyecto conjunto Transition, consiste en un ánodo de carbono duro a base de biomasa en combinación con aglutinantes acuosos y aluminio como colector de corriente, y en el cátodo, óxidos de metales de transición. Las relaciones mejoradas de estructura y propiedades también constituyen la base para reacciones electroquímicas controladas.

Movilidad eléctrica

A corto y medio plazo, las baterías de iones de litio son las principales en la propulsión de cualquier vehículo eléctrico, debido a su capacidad de rendimiento y densidad energética. Garantizan la duración de la operación y la autonomía en función de condiciones externas como áreas de uso, temperaturas y estilo de conducción. En un futuro cercano, las baterías de iones de sodio no reemplazarán a las de litio, sino que, según los expertos, solo podrán complementarlas. En el ámbito de la movilidad eléctrica, también se consideran potenciales en la tecnología del agua, siempre que se cumplan diversos aspectos de seguridad.

Analítica y caracterización

Cada resultado de investigación y desarrollo es tan bueno como su análisis durante el proceso. Por ello, los métodos analíticos modernos para determinar electrolitos y para identificar trazas, materias primas y componentes de materiales en la investigación de baterías son indispensables en la actualidad. Los últimos avances en tecnología de instrumentos para estas mediciones y pruebas de materiales se muestran en su totalidad en la feria analytica en Múnich. Expertos presentan en la feria mundial de analytica las últimas tecnologías y métodos en cromatografía, espectrometría, microscopía, análisis de superficies y análisis iónico. En el laboratorio en vivo de análisis de plásticos/polímeros, también se realizan experimentos en vivo. Allí, los interesados tienen la oportunidad de experimentar en un laboratorio real las innovaciones en análisis de plásticos y materiales en vivo.

Del 30 de marzo al 3 de abril, la comunidad especializada se informa en analytica en Múnich sobre las principales novedades del sector. El conocimiento experto y las tecnologías de análisis innovadoras aportan un valor añadido enorme para la investigación de nuevos sistemas de baterías. En Múnich, las tecnologías clave correspondientes permiten vislumbrar el futuro.