Baterías de litio-sulfuro, ¿el futuro tras la Gigafábrica de Tesla?

Sales de tu casa abastecida al 100% por energía renovable, te metes en tu coche eléctrico y conduces dos mil kilómetros sin tener que preocuparte por cargar la batería. Este futurístico y limpio escenario está cada vez más cerca gracias a investigadores como Zhi Wei Seh, quien está ayudando a desarrollar las baterías de litio-sulfuro, con una densidad energética de 3 a 5 veces mayor que las de la Gigafábrica de Tesla.

 

Gigafábrica de Tesla

 

Si nos has estado siguiendo por un tiempo, ya estarás familiarizado con el EmTech Asia. Al igual que los CEOs de startups como Grey Orange y sus robots para almacenes, AIME y su plataforma capaz de predecir brotes de dengue o REX computing y sus chips revolucionarios, también conocí a Zhi Wei Seh en este evento de Singapur, ya que era uno de los diez Innovadores Menores de 35 elegidos para presentar su proyecto.

Con un doctorado en Ciencia e Ingeniería de los Materiales por la Universidad de Stanford, Zhi Wei Seh es un científico en la A*STAR de Singapur, donde está diseñando nanoestructuras innovadoras para las baterías de litio-sulfuro, las cuales pueden almacenar de 3 a 5 veces más energía que las baterías de ion de litio que usamos hoy en día.

A largo plazo, esperamos que todas las casas e industrias del mundo estén abastecidas con Energía Renovable proveniente de la red.

Debido a la intermitencia de las energías renovables (dependen de recursos naturales intermitentes como el viento o el sol), necesitamos complementarlas con baterías. El incremento en su densidad energética ayudará a la implementación de las energías renovables y a ‘descarbonizar’ el modelo energético, logrando un futuro energético más seguro.

Además de en grandes redes eléctricas, estas baterías también podrán ser usadas en vehículos eléctricos o en dispositivos del día a día, como teléfonos móviles u ordenadores portátiles.”

 

Zhi Wei Seh en el EmTech Asia

 

Más allá de la visión de Elon Musk y Tesla

El noviembre pasado, Elon Musk (CEO de Tesla) aseguró que tenían las baterías más baratas del mercado, además de ser las mejores, permitiéndote conducir desde San Francisco a Los Ángeles (unos 700 km) sin recargar.

A principios de este año, la Gigafábrica de Tesla empezó a producir en masa. Según los planes de Tesla, esta enorme fábrica ubicada en Nevada (Estados Unidos), y todavía en construcción, doblará la producción mundial de baterías de ion litio en 2018. ¿Hay aun así espacio para otra tecnología?

“Elon Musk está intentando conseguir economías de escala que le permitan producir las baterías de ion litio a un coste muy bajo, abaratando el coste de los coches eléctricos. Le admiro por ello. Tal y como dijo, podrán conducir de San Francisco a Los Ángeles, pero nosotros estamos tras algo mucho mayor, un incremento de 3 a 5 veces en la distancia conducible.

Lo veo más como una transición. Las baterías hechas con nuevos materiales aún no están lo suficiente maduras, así que en los próximos 5 años la tecnología de las baterías de ion de litio seguirá siendo predominante. Conforme vayamos entendiendo mejor el funcionamiento de las baterías de litio-sulfuro, podremos mejorar sus prestaciones y habrá una lenta transición hacia esta nueva tecnología.”

 
Le pregunté a Zhi Wei Seh sobre otro producto de Tesla, las baterías Powerwall. La empresa asegura que este producto puede abastecer una casa de cuatro habitaciones durante 24 horas, usando la energía generada durante el día por paneles solares. O lo que es lo mismo, ya es posible poseer una casa abastecida al 100% por energía renovable.

“No todas las casas pueden permitirse tener una microrred (paneles solares + almacenamiento de energía), así que dependemos de la red eléctrica centralizada. No estoy hablando de abastecer casas particulares con energía renovable, sino la red eléctrica en sí misma.

Hoy en día, al estar usando combustibles fósiles, no necesitamos sistemas de almacenamiento en las redes. Pero cuando el uso de energías renovables esté más extendido, necesitaremos grandes baterías de gran capacidad y larga duración que puedan, por ejemplo, almacenar la energía solar generada durante el día y soltarla por la noche, para ser transmitida de la red a otras casas e industrias.”

 

Sustituir las baterías de ion de litio por las de litio-sulfuro

Tras haber estado trabajando en el diseño de las baterías de ion litio durante los últimos 10 años, estamos muy cerca su límite teórico. Ahora, ya solo es posible mejorarlas desarrollando baterías con químicas completamente diferentes a la tradicional. Tenemos que sustituir los materiales por otros con más capacidad de carga.

Si hablamos de costes, las baterías de litio-sulfuro también están en ventaja, porque el sulfuro es barato y muy abundante. De hecho, es un desecho de la industria petrolífera. Tienen toneladas y no saben qué hacer con él.”

 
En este corto video (en inglés), Zhi Wei Seh explica qué es una batería de litio-sulfuro y en qué se diferencia con las baterías de ion-litio:

 

 
Baterías mejores y más baratas que las que estamos usando hoy en día. ¿Qué es lo que nos está impidiendo tenerlas ya?

“Las baterías de litio-sulfuro típicamente sufren un rápido bajón de capacidad y tienen ciclos de vida cortos, porque los intermediarios de sulfuro se filtran en el electrolito durante la operación de la batería. El sulfuro se expande un 80% con la carga y descarga de la batería, provocando la rotura de la carcasa.

Para resolver este problema, hemos desarrollado una estructura en forma de ‘yema y cáscara’, en la cual el electrodo de sulfuro (yema) está encapsulado en una cáscara de dióxido de titanio. Esta cáscara evita las fugas de los intermediarios de sulfuro al mismo tiempo que deja un espacio vacío para que el sulfuro se pueda expandir durante el funcionamiento de la batería.

Con esta estructura de yema y cáscara y una configuración parecida a la de las pilas de botón usadas en los relojes, hemos conseguido mantener el 70% de la capacidad original de la batería tras 1000 ciclos de carga y descarga. En cuanto a la densidad energética, con esta configuración podemos triplicar la de las baterías de ion litio, pasando de 420 Wh/kg a 1200 Wh/kg.”

 

Estrucutra "yema-cáscara" para baterías litio-sulfuro

 

“Aún hay algunos problemas tecnológicos que deben ser solucionados, como la falta de conductividad en el electrodo positivo (el del sulfuro) al intentar agrandarlo, o problemas de seguridad en el electrodo negativo (litio), como la formación de estructuras puntiagudas durante la carga y descarga de la batería, que pueden hacer contacto con el electrodo positivo, provocando un cortocircuito.”

 
Parece un escenario muy prometedor, ¿pero cuándo podemos esperar ver estas baterías en el mercado?

“Hay una empresa llamada Sion Power (el nombre viene de sulfuro e ion) que ya tiene algún prototipo de estas baterías. Creo que el uso de esta tecnología litio-sulfuro estará extendido de aquí a cinco años.”

 
¿Quieres ver el ‘elevator-pitch’ (discurso de presentación) de tres minutos que Zhi Wei Seh dio en el EmTech Asia? ¡Haz click aquí!

 

Electrocatalizadores como complemento perfecto de las baterías

Llegados a este punto, estarás pensando que las posibilidades que traerán consigo las futuras baterías de litio-sulfuro son bastante interesantes. Bueno, ¡pues aquí viene la verdadera ciencia ficción! ¿Preparado?

¡Además de trabajar en las baterías, Zhi Wei Seh también está desarrollando electrocatalizadores para convertir moléculas simples de la atmósfera en combustible!

“Son más o menos complementarios. Por ejemplo, podemos usar las baterías para alimentar a los coches eléctricos, pero es muy difícil hacer eso con camiones, transporte marino, ferroviario o aéreo. La manera de conseguirlo es tener una manera sostenible de producir combustibles y químicos que puedan ser usados por estos vehículos pesados.

Nuestra visión es convertir moléculas de la atmósfera como agua y dióxido de carbono en compuestos útiles. El agua puede ser separada y producir hidrógeno que puede ser usado como combustible limpio para este tipo de transporte.

El dióxido de carbono, el cual es un gas de efecto invernadero, también puede ser potencialmente convertido en combustibles como metanol o etanol. Al ser producidos a partir de dióxido de carbono, estos combustibles tienen una huella de carbono neutral.

Para conseguirlo necesitamos catalizadores que puedan acelerar el proceso. Hoy en día este proceso es sumamente ineficiente. Por eso también estamos desarrollando un catalizador que pueda acelerar estas reacciones, haciéndolas más eficientes y poder producir estos combustibles de manera sostenible.”

 

Electrocatalizadores

 
¡Uau! No solo conducir coches eléctricos sin preocuparnos y vivir en casas 100% renovables, ¡sino también abastecer trenes y aviones con aire! ¡Me muero de ganas por verlo!

¡Gracias Zhi Wei Seh por compartir con nosotros tu trabajo y visión del futuro! ¡Siempre está bien saber que hay gente como tú trabajando para hacer de este mundo un lugar mejor para vivir!


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Borja Bonet

¡Buenas! Soy Borja, encantado de formar parte de este proyecto y poder compartir ideas y experiencias con vosotros. ¿Y tú, te apuntas? ¡Bienvenidos a Ambitious Tracks!

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