Foto: Una batería de ion-litio se carga en un dispositivo de rayos X que los investigadores usan para comprender cómo funcionan las baterías experimentales.
Los coches eléctricos son rápidos y silenciosos, con una autonomía más que suficiente para la mayoría de los desplazamientos. Si quieres un coche con aceleración rápida, es difícil superar al el Tesla Model S. Y evidentemente los vehículos eléctricos evitan la contaminación asociada con los coches convencionales, como la emisión de dióxido de carbono resultante de la combustión de gasolina. Sin embargo, suponen una fracción minúscula de las ventas de automóviles, principalmente porque las baterías que los impulsan son caras y necesitan frecuentes recargas.
Una batería mejor podría cambiarlo todo. Pero a pesar de que se han anunciado innumerables avances a lo largo de la última década, una y otra vez estos avances no han conseguido traducirse en baterías comerciales con nada que se parezca a las mejoras prometidas en términos de costes y almacenaje de energía. Algunas start-up con financiación de sobra, de forma destacada A123 Systems, empezaron haciendo valientes anuncios pero no lograron cumplir (ver ¿Qué le ha pasado a A123?).
The Powerhouse, un nuevo libro del periodista Steve LeVine, narra la historia detrás de uno de los anuncios sobre baterías más espectaculares de los últimos años y explica cómo se quedó en nada (ver La triste historia de las baterías que resultaron ser demasiado buenas para ser verdad). El anuncio se hizo en febrero de 2012, en una conferencia en Washington D.C. (EEUU), donde un grupo de investigadores, emprendedores e inversores había acudido a oír hablar a personas como Bill Gates y Bill Clinton sobre la importancia de las nuevas tecnologías energéticas, y también para aprovechar una de las fuentes de financiación de Washington más nuevas, la Agencia para Proyectos Avanzados de Investigación en Energía, o ARPA-E. fundada en 2009, ARPA-E había recibido la tarea de identificar investigaciones potencialmente transformadoras. Arun Majumdar dirigía la agencia y estaba dispuesto a desvelar uno de sus primeros grandes éxitos: una célula de batería, desarrollada por la start-up Envia, capaz de almacenar el doble de energía que una batería convencional. El coste de una batería que llevara a un coche desde Washington hasta Nueva York (EEUU) sin recargar, afirmó Majumdar, bajaría de los 30.000 a los 15.000 dólares (de 26.00 a 13.000 euros). Los coches eléctricos serían mucho más asequibles y prácticos (ver Un gran avance en la capacidad energética de las baterías).
A los pocos meses GM había comprado la licencia para usar la tecnología y firmado un acuerdo para apoyar su desarrollo, lo que le daba el derecho a usar cualquier batería resultante. LeVine escribe que el acuerdo suponía potencialmente cientos de millones de dólares para Envia. Pero pronto Envia empezó a recibir mensajes de ingenieros frustrados de GM, incapaces de reproducir los resultados de la start-up. Un año después del anuncio, el trato se rompió. La impresionante batería de Envia era humo.
La narración que hace LeVine del trabajo de Envia demuestra por qué cuesta tanto lograr grandes progresos en baterías y por qué las start-up que prometen avances que cambiarán el mundo han tenido dificultades. A lo largo de la última década hemos visto mejoras sorprendentes en esta industria, pero han venido principalmente de la mano de empresas consolidadas que van haciendo pequeños avances sin descanso.
La de Envia era un nuevo tipo de batería de ion-litio. Inventadas a finales de la década de 1970 y principios de 1980, y comercializadas en la de 1990, estas baterías generan corriente eléctrica cuando iones de litio pasa de un electrodo a otro. Son ligeras pero potentes y han transformado el mundo de la electrónica portable, aunque su uso en coches eléctricos es reciente. En la década de 1990, GM usó baterías de ácido y plomo, más baratas, para su coche eléctrico EV-1; cada batería pesaba unos sorprendentes 600 kilos y proporcionaba entre 90 y 150 kilómetros de autonomía antes de necesitar una recarga. Cuando Tesla Motors presentó uno de los primeros coches eléctricos con batería de ion-litio en 2008, podía recorrer 400 kilómetros con una sola carga, casi tres veces más que el EV-1. Pero el vehículo costaba más de 100.000 dólares (unos 88.000 euros), en gran medida porque las baterías eran caras. Para reducir costes, los coches con baterías de ion-litio que fabrican ahora empresas como Nissan y GM usan pequeños paquetes de batería con una autonomía de alrededor de 150 kilómetros.
Una de las dificultades de desarrollar baterías mejores es que la tecnología aún no se comprende del todo bien. Cambiar una parte de la batería, introduciendo por ejemplo un nuevo electrodo, puede producir problemas imprevistos, algunos de los cuales no se pueden detectar hasta que no han pasado años de pruebas. Para conseguir el tipo de avances que buscan el capital riesgo y ARPA-E, Envia incorporó no sólo uno sino dos materiales experimentales en los electrodos.
LeVine describe lo que salió mal. En 2006 Envia había adquirido la licencia para un prometedor material desarrollado por investigadores en el Laboratorio Nacional de Argonne. Después de esto se descubrió un grave problema relacionado con el material. El problema, que un ejecutivo de empresa de baterías denominó "condena a muerte" era que a lo largo del tiempo, el voltaje al que operaba la batería cambiaba de tal forma que no se podía usar. Investigadores de Argonne estudiaron el problema y no hallaron una solución. No comprendían la química y física básica del material lo suficientemente bien para entender con precisión qué estaba fallando, y mucho menos poder arreglarlo, explica LeVine.
Foto: Una imagen del interior del motor del Tesla Model S en la que se ve la batería, una losa gris que ocupa la mayor parte del espacio entre las ruedas delanteras y traseras.
Con su otro material experimental para el electrodo opuesto, este basado en el silicio, Envia se enfrentaba a otro reto. Parecía que los investigadores habían resuelto el principal problema de los electrodos de silicio, su tendencia a descomponerse. Pero para la solución hacían falta técnicas de fabricación que no resultaban prácticas.
Cuando Envia hizo su anuncio en 2012, parecía haber resuelto cómo hacer que estos dos materiales experimentales funcionasen. Desarrolló una versión del electrodo de silicio que se podía fabricar con un coste menor. Y a través de ensayo y error había dado con una combinación de capas de cobertura que estabilizaban el voltaje del material de Argonne. El cofundador de Envia, Sujeet Kumar "comprendió que la respuesta era un compuesto de capas para el material", escribe LeVine. "Pero aún no sabía qué era lo que impedía este compuesto, ni por qué tenía éxito en hacerlo". Dado que Envia era una start-up con financiación limitada, "no tenía los instrumentos necesarios para poder averiguarlo". Pero una vez que se hizo evidente que los resultados de los que Envia había informado para su batería no se podían reproducir, comprender el problema se convirtió en un punto clave. Incluso cambios minúsculos en la composición de un material pueden tener un impacto significativo sobre el rendimiento, así que por lo que Envia sabía, era posible que su batería de récord hubiese funcionado por trazas de un contaminante en una tanda de material de uno de sus proveedores.
La historia de Envia contrasta con lo que ha resultado ser el proyecto reciente de mayor éxito a la hora de reducir el precio de las baterías y mejorar su rendimiento. Este éxito no viene de un avance sino de la estrecha asociación entre Tesla Motors y el mayor proveedor de celdas de batería, Panasonic. Desde 2008 el coste de los paquetes de batería de Tesla se ha reducido aproximadamente a la mitad mientras que su capacidad de almacenamiento ha aumentado en to o a un 60%. Tesla no intentó cambiar radicalmente la química o los materiales de sus baterías de ion-litio, sino que ha hecho mejoras incrementales de ingeniería y fabricación. También ha trabajado estrechamente con Panasonic para cambiar la química de los materiales de batería existentes según las necesidades concretas de sus coches.
Tesla afirma que va camino de producir un vehículo que cueste 35.000 dólares (unos 31.000 euros) con una autonomía de unos 350 kilómetros para 2017, una hazaña comparable a lo que GM esperaba lograr con la nueva batería de Envia. La empresa prevé que venderá cientos de miles de estos coches eléctricos al año, lo que sería un importante salto respecto a las decenas de miles que vende actualmente. Pero para que los coches eléctricos supongan una parte significativa de los aproximadamente 60 millones de coches que se venden anualmente en todo el mundo, las baterías probablemente tengan que ser bastante mejores. Después de todos, 350 kilómetros es mucho menos que los 500 kilómetros que la gente está acostumbrada a recorrer con un depósito de gasolina y 31.000 euros siguen siendo bastante más que los 13.000 euros que cuestan muchos coches pequeños de gasolina.
¿Cómo cerraremos la brecha? Probablemente haya aún mucho margen para mejorar las baterías de ion-litio, aunque cuesta imaginar que el éxito de Tesla con pequeños cambios en la química de las baterías continúe indefinidamente. En algún punto quizá hagan falta cambios radicales como los imaginados por Envia. Pero la lección aprendida del fiasco de Envia es que esos cambios deben integrarse con la experiencia de la fabricación y la ingeniería.
Ese enfoque ya está dando lugar a resultados prometedores con el material de Argonne del que Envia compró la licencia. La batería de Envia operaba a alto voltaje para conseguir grandes niveles de almacenamiento de energía. Ahora los fabricantes han hallado que usar niveles de voltaje más modesto puede aumentar significativamente el almacenamiento de energía sin los problemas a los que se enfrentó Envia. Mientras, los investigadores en baterías publican artículos que demuestran cómo cantidades insignificantes de aditivos pueden cambiar el comportamiento de los materiales, lo que permite mejorar el voltaje y el almacenamiento de energía. La clave es combinar investigaciones que revelen detalles sobre la química y física de las baterías con la experiencia que han conseguido los fabricantes de baterías para hacer productos prácticos.
Es una industria en la que es ,muy difícil que una start-up, por muy emocionante que resulte su tecnología, lo logre sola. Andy Chu, antiguo ejecutivo de A123 Systems, que quebró en 2012 me contó hace poco por qué las grandes empresas dominan la industria de las baterías. "El almacenaje de energía es un deporte de grandes jugadores porque hay muchas cosas que pueden salir mal en una batería", afirmó. "Espero que las start-up tengan éxito. Pero si observas la historia de los últimos años, no ha sido el caso".