No obstante, esto implica, a su vez, otros grandes retos a afrontar, tal y como pudimos comprobar en una de las encuestas que llevamos a cabo en nuestros perfiles de redes sociales. Según ésta, la mayoría (65-70% aprox.) de los consultados creían que el mayor obstáculo al que deberá hacer frente la industria de las baterías es, precisamente, la escasez de materias primas.

Y es que una parte de los materiales con los que se elaboran las baterías están catalogadas por organismos internacionales como materias primas críticas. De ahí que el objetivo de Europa en este ámbito sea desarrollar un mercado propio de materias primas sostenibles a través de la denominada Alianza Europea de Materias Primas (ERMA de sus siglas en inglés), a la que pertenece CIC energiGUNE. Es decir, materias primas que se caractericen por su abundancia en la naturaleza, por su bajo impacto en el medioambiente y para cuya explotación no se vulneren derechos humanos fundamentales.

Para este fin, la investigación se postula como un agente fundamental, ya que estudia las cualidades de las diferentes materias primas y de las posibles interacciones entre ellas. En CIC energiGUNE contamos con numerosas líneas de investigación y colaboramos en proyectos internacionales que ya están obteniendo resultados muy esperanzadores para desarrollar baterías más asequibles, eficientes, seguras y sostenibles que impulsen la electrificación de la sociedad.

Baterías de Zinc-aire

Las baterías de zinc-aire, pertenecientes a la línea de investigación de baterías metal-aire, representan una de las tecnologías más atractivas para la comunidad científica e industrial como alternativa sostenible al uso de materiales críticos para baterías.

Destacan entre sus cualidades:

• La alta reciclabilidad y economicidad del zinc (no CRM) como material activo anódico, ayudando a obtener una solución con costes de producción muy bajos.
• El uso de materiales muy abundantes y respetuosos con el medio ambiente, como es el caso de la reutilización del oxígeno (extraído del aire ambiental) como material activo catódico.
• La presencia de un electrolito acuoso (solución KOH) no tóxico y no inflamable que dota al dispositivo de mayor manejabilidad y seguridad.
• Densidades de energía y potencia competitivas. De hecho, la densidad energética teórica de las baterías de zinc-aire es superior a las de litio.

A pesar de la poca dependencia de materiales CRM (materia prima crítica por sus siglas en inglés) y de sus buenas prestaciones para aplicaciones estacionarias, estas baterías pertenecientes a la denominada era “más allá del litio-ion” aún tienen que superar algunos retos para poder competir en el mercado.

Uno de ellos es la recargabilidad. Si bien las baterías de zinc-aire primarias llevan muchos años en el mercado, su versión recargable no ha salido a la palestra hasta el reciente desarrollo de unos nuevos electrocatalizadores basados en níquel, manganeso, plata o hierro (ninguno de ellos, material crítico) que permiten su recarga.

La línea de investigación de baterías metal-aire de CIC energiGUNE está destinando grandes esfuerzos al desarrollo de nuevas formulaciones, catalizadores más activos y procesos de reciclaje más eficientes para que estas baterías compuestas de materiales sostenibles, seguras y baratas estén compitiendo en el mercado estacionario en los próximos años.

Baterías de sodio-ion 

Otra de las tecnologías que más destaca como alternativa sostenible al uso de materiales críticos para baterías es la de sodio-ion. Es más, el hecho de que se posicionen como una de las tecnologías más sostenibles para el almacenamiento de energía no es casualidad. Estos sistemas de almacenamiento de energía se elaboran a partir de materiales considerados no críticos, y se encuentran abundante y homogéneamente por todo el planeta. Esto implica no sólo que se evite una explotación intensiva de la tierra mediante técnicas o instrumentos que puedan resultar lesivas para el medioambiente o para la salud, sino también que estos recursos no se encuentran monopolizados por territorios que vulneran derechos humanos fundamentales.

Además, destaca como otro de los puntos fuertes de las baterías de sodio-ion su coste de industrialización, que es menor que el de las baterías de litio, principalmente, por dos motivos. En primer lugar, porque -como ya hemos indicado- están elaboradas por materias primas más abundantes en la naturaleza y, por tanto, se produce una mayor facilidad para alcanzar economías de escala. Y en segundo lugar, porque el sodio pertenece al mismo grupo de metales alcalinos que el litio, de manera que ambos elementos poseen propiedades químicas, tecnológicas y de rendimiento muy similares. Esto implica poder usar la misma maquinaria para su producción, sin necesidad de adquirir nuevos equipamientos especializados.

Por lo tanto, en cuanto a la durabilidad de los sistemas, la abundancia de recursos y componentes, la seguridad, el uso limitado de materias críticas y su coste, las baterías de sodio presentan claras ventajas como sistema de almacenamiento sostenible.

Sin embargo, y al igual que ocurría con las baterías de zinc-aire, todavía existen una serie de retos que impiden que las baterías de sodio-ion comiencen a producirse a gran escala:

• El desarrollo de un mercado de componentes: Hoy en día, sólo existen 3 proveedores mundiales (todos ellos asiáticos), encargados de transformar el sodio y darle el formato adecuado para la industria de las baterías.
• Al estar enfocadas a abastecer la demanda de energía proveniente de las aplicaciones estacionarias, es vital que la investigación encuentre métodos de elevar el voltaje y, especialmente, la densidad de energía. El objetivo se encuentra en los 250 Wh/kg, a partir del cual se podría afirmar que las baterías de sodio son realmente competitivas frente a las baterías de litio.
• El desarrollo de nuevos electrolitos avanzados que aumenten el rendimiento de las baterías de sodio a mayores rangos de temperatura.

Para alcanzar estos objetivos y llegar a desarrollar baterías de sodio sostenibles y competitivas, los investigadores de la línea de investigación de CIC energiGUNE, trabajan en el desarrollo de materiales avanzados (ánodo, cátodo y electrolito) que permitan aumentar la densidad energética y mejorar rendimiento en un amplio rango de temperaturas de las baterías de Na-ion.

Estas investigaciones permiten acercar las baterías de sodio a su implementación en el mercado de las aplicaciones estacionarias y en especial a las aplicaciones de red.

Baterías libre de cobalto: CoFBAT

El cobalto, clave en la composición del cátodo de las baterías de litio, es uno de los materiales clasificado como materia crítico dada su escasez en la corteza terrestre y que, además, su presencia está monopolizada en la República Democrática del Congo (país que explota el terreno y al que diferentes organismos internaciones han acusado de vulnerar los derechos de los trabajadores para obtener rentabilidad de estos materiales).

De ahí la importancia vital de proyectos dedicados a desarrollar nuevas tecnologías de cátodo como CoFBAT. Este proyecto, en el que participa activamente CIC energiGUNE, investiga materiales activos de alto voltaje y con gran capacidad para desarrollar cátodos sin cobalto en combinación con un electrolito en gel (preludio del estado sólido).

Su implantación en el mercado conllevaría un abaratamiento de las baterías debido a la ausencia de un material tan crítico como el cobalto, así como una mayor seguridad, durabilidad y, por supuesto, sostenibilidad. Es más, CoFBAT no solo refuerza la competitividad europea en la fabricación de materiales avanzados sino que además reduce la dependencia de terceros en la cadena de suministro de materias primas para baterías.

Baterías orgánicas de flujo redox: HIGREEW

Las baterías de flujo redox destacan por ser un sistema de almacenamiento de energía de larga duración ideal para aplicaciones estacionarias y en especial, para su integración con renovables. Sin embargo, el uso de una materia crítica como el vanadio como electrolito, provoca que las investigaciones recientes se centren en buscar soluciones más sostenibles que favorezcan que las baterías de flujo redox se acerquen más a la realidad verde que demanda Europa.  

El proyecto europeo HIGREEW , liderado por CIC energiGUNE, trabaja desde hace años en demostrar que las baterías orgánicas de flujo redox son una alternativa viable y realista a las tecnologías basadas en vanadio. Además de limitar y minimizar el uso de un elemento considerado una materia prima crítica (CRM) por la Comisión Europea, tiene como objetivo obtener una tecnología medioambientalmente más sostenible, tanto por los materiales que lo conforman como por conseguir un reciclaje más eficiente al final de su vida útil.

Además, desde el punto de visto técnico, las baterías de HIGREEW dispondrán de mayor densidad energética (mayor autonomía), una mayor vida útil (mayor ciclabilidad) y una reducción significativa en los costes.

La implantación en el mercado de estas baterías de flujo redox con electrolito acuoso orgánico contribuirá a la descarbonización de la economía, a reforzar el sistema eléctrico y al despliegue de las energías renovables.

Baterías anodeless 

En los últimos tiempos, las denominadas baterías anodeless o anode free (sin ánodo de litio metálico) han llamado poderosamente la atención de la comunidad científica debido a la ausencia de litio en el procedimiento de fabricación de las baterías, lo que las hace más fáciles de ensamblar, más seguras, con mayor densidad energética, menos costosas y, por supuesto, más sostenibles. De ahí que también se estén considerando como una alternativa más sostenible debido a la reducción de materiales considerados “críticos”.

Sin embargo, los investigadores se han encontrado con la desventaja de que, al carecer de cualquier exceso de litio, necesita de una eficiencia cercana al 100%, para lo cual en CIC energiGUNE ya se está trabajando para intentar mejorar la eficiencia durante el ciclado de este tipo de celdas anodeless.

Esta tarea se torna fundamental porque la degradación sufrida por el litio hace que la eficiencia y la durabilidad de las celdas se vean mermadas. En gran parte, se debe a que las deposiciones de litio crecen en forma de agujas, degradando el ánodo y suponiendo una falla de seguridad que puede derivar en un cortocircuito. Para ponerle solución, por ejemplo, a la degradación del litio y a posibles filtraciones de seguridad, se está trabajando en el desarrollo de capas protectoras (ASEIs) o de nuevos electrolitos sólidos compatibles con el litio metálico. En definitiva, se investiga tanto para eliminar la reactividad del litio metálico con el electrolito -sólido o líquido-, como para hacer que la deposición sea lo más homogénea, compacta y pura posible.

Los aquí presentados son solo algunos ejemplos de las investigaciones que se están llevando a cabo en CIC energiGUNE para afrontar el reto del origen sostenible de los materiales críticos y de la escasez de las materias primas que estamos viviendo en la actualidad. Una labor investigadora fundamental, ya que de sus conclusiones desarrollan cada vez más y mejores tecnologías en términos de seguridad, eficiencia, y por supuesto, verdes para poder, juntos, transicionar hacia una sostenibilidad real.