Pilas y acumuladores

La necesidad de reducción de las emisiones de CO2 para luchar contra el cambio climático y el impulso hacia una movilidad limpia ha encontrado en las baterías una alternativa para la propulsión de vehículos, sustituyendo a los combustibles fósiles.

En mayo de 2018, la Comisión adoptó el Plan de acción estratégico para las baterías, como elemento del tercer paquete de movilidad «Europa en movimiento», con dos objetivos principales:

• Reducir la dependencia tecnológica de los competidores asiáticos, construyendo una cadena de valor de las baterías en Europa que abarque la extracción, adquisición y transformación de materias primas, los materiales para las baterías, la fabricación de celdas de baterías, los sistemas de baterías, así como la reutilización y el reciclado. 
• Reducir la dependencia de la UE de las importaciones de materias primas para las baterías, facilitando el acceso a fuentes primarias (minería) y secundarias (recuperadas de residuos) dentro de la UE y garantizando que el suministro proveniente de terceros países se realice de forma justa, sostenible y ética.

A medida que se expanden los mercados, también se generarán grandes volúmenes de baterías al final de su vida útil, por lo que hará falta gestionar debidamente estos flujos de residuos y recuperar los materiales valiosos que contienen para emplearlos como materias primas en la fabricación de nuevas baterías. En la actualidad, el reciclaje de baterías de ion-litio es prácticamente inexistente, aunque se está trabajando en la búsqueda de tecnologías de reciclaje y en alternativas para la reutilización de las baterías usadas en el almacenamiento estacionario de electricidad, lo que se conoce como repurposing.

Los tipos de baterías que se emplean para la tracción de vehículos eléctricos son las baterías de ion-litio, níquel-cadmio y níquel-hidruro metálico.

• Baterías de litio, también llamadas de ion-litio o litio-ion. Son las más utilizadas. Están formadas por varias celdas compuestas ánodo, cátodo, electrolito y separador entre electrodos. 

1. Las baterías actuales tienen un ánodo de litio metálico, de grafito o un material similar al grafito denominado coque del petróleo, que alberga el litio metálico.
2. El electrolito es una sal de litio disuelta en un disolvente orgánico.
3. Las características de la celda de la batería varían según la composición química del cátodo. Las químicas de cátodo comunes que se utilizan en las baterías de vehículos eléctricos incluyen: 

• óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto,
• óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio y
• fosfato de litio y hierro

Cuando la batería está cargada, todo el litio está en el ánodo de coque. Durante la descarga los iones fluyen a través del electrolito desde el ánodo hacia al cátodo de óxido de litio y cobalto (el más habitual). Los electrones también fluyen desde el ánodo al cátodo, pero lo hacen a través del circuito exterior, alimentando al vehículo. Cuando todos los iones de litio llegan al cátodo, la batería estará completamente descargada.

La carga de la batería se realiza conectando la batería a una fuente de energía externa que aporta electrones al ánodo, lo cual provoca que los iones de litio abandonen el cátodo y regresen al ánodo a través del electrolito.

Las tecnologías de las baterías de ion-litio ha evolucionado mucho desde los años 70, cuando se construyó la primera batería de litio. El ánodo en principio era de litio metálico, metal que cede electrones con gran facilidad, lo que hace que sea muy inestable. Se oxida rápidamente en contacto con el aire, y en contacto con el agua reacciona de forma violenta. El ánodo se ha ido sustituyendo por otros materiales más eficientes como el coque de petróleo. La composición de los electrolitos también ha ido evolucionando para mejorar el aislamiento del litio.

Entre las nuevas tecnologías para la fabricación de baterías de litio de encuentran las siguientes:

1. Baterías de ion-litio en estado sólido. Están basadas en tecnologías avanzadas. Se caracterizan por un electrolito sólido no inflamable que también actúa como separador de celdas. Los electrolitos sólidos son más tolerantes a cambios de temperatura, daños físicos, así como a sobrecargas y descargas profundas. 
2. Otros tipos de baterías de litio en fase de investigación (aún no se comercializan) son las de dióxido de carbono y litio y las de litio-grafeno. También se está investigando en el empleo de nanomateriales en los electrodos con el fin de aumentar la densidad de corriente.
3. 
   

• Baterías níquel-cadmio. Cada celda de una batería está formada por un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de hidróxido de cadmio, separados entre sí por una lámina porosa. El electrolito es hidróxido de potasio.
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  Debido al alto coste de las materias primas y la toxicidad que les confiere la presencia de cadmio, su uso en vehículos eléctricos se está reduciendo sustancialmente. Están más orientadas a aviones, helicópteros o vehículos militares, dado su gran rendimiento a bajas temperaturas. Poseen efecto memoria, por lo que su capacidad se ve reducida con cada recarga. Están siendo sustituidas por las baterías de níquel-metal hidruro. 

• Baterías níquel-hidruro metálico. En estas baterías el ánodo es oxihidróxido de níquel (NiOOH), como en la baterías de níquel-cadmio, pero cuyo cátodo es de una aleación de hidruro metálico. Tienen hasta tres veces más capacidad de carga que una pila Ni-Cd del mismo tamaño. Tienen menor efecto memoria, aunque requieren de mantenimiento y se deterioran por causa de las altas temperaturas, altas corrientes de descarga o sobrecargas. 

Existen otros tipos de baterías que podrían emplearse en los vehículos eléctricos, y que están en fase de experimentación. Algunos ejemplos son los siguientes:

• Baterías de flujo redox. En ellas se utilizan electrodos porosos, en los que los materiales activos fluyen en forma de soluciones líquidas positivas y negativas que contienen especies activas redox. 
• Baterías ZEBRA, también llamadas de sal fundida, trabajan a 250ºC y tienen como electrolito cloroaluminato de sodio triturado. El electrolito solidifica, por lo que necesita un tiempo de fundición que puede llegar a ser de dos días para que alcance la temperatura optima y ofrezca plenamente su carga.
• Baterías de aluminio-aire, consideradas «pilas de combustible» por la necesidad de sustituir los electrodos de metal gastados por unos nuevos. 
• Baterías zinc-aire, están en fase experimental, más avanzada que las de aluminio-aire. Estas baterías necesitan obtener el oxígeno de la atmosfera para generar la corriente eléctrica.