Más ecológico, más económico, con una mayor capacidad de almacenamiento y una mayor vida útil:se plantean muchas demandas a la batería del futuro. Un equipo español de investigadores utiliza tecnología láser para diseñar la próxima generación de baterías.

Las veteranas baterías de plomo-ácido, que han funcionado bien durante aproximadamente un siglo a bajo costo, parecen incapaces de pagar suficiente capacidad de almacenamiento para las necesidades de nuestro tiempo. Ciertamente, no fueron diseñados para coches eléctricos. Otros intentos como Ni-Cd (níquel cadmio) o Ni-MH (hidruro metálico de níquel) han resultado demasiado débiles para impulsar un vehículo eléctrico.

Aunque bastante caro en su ventana emergente comercial a principios de los 90, la tecnología de iones de litio (Li-ion) se ha vuelto razonable en el tiempo y ahora puede satisfacer las necesidades de campo de prácticas de muchas personas. La distancia media diaria de viaje en todo el mundo es inferior a 50 km. Sin embargo, aspectos importantes como el coste y la estabilidad deben ajustarse, dicen los investigadores.

En el marco del proyecto financiado con fondos europeos Laser4Surf, los científicos están abordando uno de estos parámetros, a saber, la estabilidad de la batería de iones de litio. "Estamos usando el láser para cambiar la superficie del colector actual, que es uno de los componentes de la batería, hecho de metal. Estas modificaciones mejorarán la estabilidad de la batería, extendiendo así su vida útil, "explica el físico Dr. Miguel Ángel Muñoz-Márquez, líder del grupo de Análisis Avanzado de Interfaces en CIC energiGUNE en Álava, España.

Cualquier celda de iones de litio (batería) tiene un colector de corriente en ambos extremos. El material del electrodo se vierte como pintura en cada colector de corriente; almacena los iones de litio y los libera cuando es necesario, durante el funcionamiento de la batería. Técnicamente, la acción del láser sobre la superficie metálica permite una mejor adhesión del electrodo al colector de corriente. Esto evita cualquier reacción no deseada que pueda desencadenar la delaminación del electrodo del colector de corriente.

"Estas modificaciones también pueden aumentar el rendimiento de la batería bajo cargas de alta potencia. Con el láser, queremos aumentar la superficie activa del colector de corriente, lo que le permite manejar más electrones en el proceso de carga y descarga, "añade Miguel Angel Muñoz.

Las actuales baterías de iones de litio que ponen en marcha los coches eléctricos son lo suficientemente potentes. Dependiendo de la empresa fabricante, un automóvil puede recorrer entre 200 y 500 km sin cargar la batería. El principal problema es la asequibilidad, ya que el costo de la batería es aproximadamente el 40% o el 50% del costo del automóvil. "Esta cifra puede reducirse mejorando la tecnología, como lo estamos haciendo en el proyecto Laser4Surf, o encontrando materiales más baratos. Si encuentra una solución para prolongar la vida útil de la batería, esto sería un éxito incluso si tiene un precio más alto. La batería dura más y las inversiones se amortizarán, "dice Muñoz.

Otro tema importante del proyecto se refiere a la sostenibilidad de la batería. En Laser4Surf, los investigadores se saltan un paso químico en el proceso de fabricación:el revestimiento de carbono del colector de corriente. El revestimiento de carbono de una batería de iones de litio normal mejora el rendimiento del colector de corriente, p.ej. para asegurar un mejor contacto eléctrico entre el colector de corriente y el electrodo. "El láser modifica la superficie del colector de corriente y elimina la necesidad de un recubrimiento químico. Al mismo tiempo, el grabado del láser mejora tanto el contacto eléctrico como mecánico, por lo tanto, las baterías funcionan mejor, "explica Muñoz.

Después de la primera prueba de laboratorio, Miguel Angel Muñoz está lleno de esperanza sobre el futuro de esta investigación:"En esta segunda mitad del proyecto, estamos trabajando en un prototipo desarrollado en la línea de recubrimiento, disponible en la sala seca de nuestro centro. Este prototipo tendrá el tamaño aproximado de la batería de un teléfono móvil y la celda obtenida puede considerarse una prueba preindustrial. "El siguiente paso es convencer a las empresas de baterías de que estos hallazgos son competitivos". Uno de los objetivos de este proyecto es para construir máquinas capaces de modificar la superficie del cobre a gran escala, por lo que habrá un prototipo preindustrial. Si todo va bien en menos de diez años, podremos producirlo a escala industrial, " él añade.

"Mejorar el contacto entre el material activo y el colector de corriente es extremadamente importante y es un muy buen enfoque para aumentar la vida útil y el rendimiento de carga de la batería, "dice el profesor Stefano Passerini, director del Instituto Helmholtz en Ulm, Alemania y editor en jefe del "Journal of Power Sources". Él piensa que los láseres podrían ser una tecnología exitosa, ya que cuesta menos ahora. Sin embargo, Se debe calcular un balance de costos y beneficios y solo entonces se puede evaluar la efectividad de la investigación.

"Debe demostrarse el hecho de que el uso de la tecnología láser puede mejorar el contacto. Conozco otras aplicaciones del láser, en el que los equipos planean hacer ranuras en los electrodos para aumentar el grosor del electrodo, es decir., la densidad de energía, manteniendo un buen rendimiento energético. Esta combinación sería buena para el almacenamiento de energía, pero todos estos enfoques deben demostrarse a escala industrial, "Passerini dice, agregando que la industria tarda mucho tiempo en cambiar los procesos establecidos, a menos que sea evidente una mejora sustancial o un gran ahorro de costos.

Sin embargo, este tipo de investigación puede generar ahorros sustanciales de costos para las empresas, cree Muñoz. Cualquier avance tiene un impacto medible en la industria de las baterías y puede ayudar a obtener más fondos para un laboratorio que permita dedicar más esfuerzos en esta dirección.

Cada vez más grupos científicos dedican tiempo al estudio de las baterías. "Existen varios niveles de investigación. En primer lugar, hay investigación aplicada, realizado por empresas. Los resultados de este tipo de investigación dan un impacto a corto plazo y el riesgo de éxito del proyecto es bajo. En segundo lugar, hay investigaciones basadas en mejoras incrementales, con impacto a corto y medio plazo, con un mayor grado de riesgo, típicamente desarrollado por centros tecnológicos. Aquí, working groups attempt to improve battery capacity and reduce cost. Finalmente, there is fundamental research with medium to long-term impact and high risk, which is typically carried out by research centers or universities. Their results may bring about a revolution, a paradigm shift. Teams could discover for example a new material for high performance lithium ion batteries, a new production method, a new electrode material or a new electrolyte that could bring sodium ion or lithium sulfur batteries onto the market against Li-ion, " Muñoz explains.

The overall demand for better performing batteries leads to various ways of approaching the topic and synergies among different levels of research seem to be needed more than ever.