A pesar de los miles de millones de dólares en inversiones y el lanzamiento de varias start-ups destacadas, el sector energético todavía se enfrenta a un reto fundamental y aparentemente insoluble: resulta muy difícil almacenar grades cantidades de energía de una manera compacta, a largo plazo y bajo coste. Cada vez más investigadores esperan resolver esto con las llamadas baterías en tres dimensiones, que pueden adoptar muchas formas distintas. Esta capacidad les hace presentar estructuras porosas, similares a una esponja, en lugar de la forma tradicional en 2D: finas capas de un metal dentro de una solución líquida de electrolitos dentro de una caja (ver El 'origami' inspira una pila flexible para 'smartwatches' que dobla su autonomía).
Durante los últimos meses, una start-up llamada Prieto Battery, una spin-off de la Universidad Estatal de Colorado en Fort Collins (EEUU), ha logrado producir lo que su fundadora, Amy Prieto, llama "la primera batería 3D real que puede cargarse y descargarse, y que mantiene la carga". En otras palabras, que cumple con los requisitos de las baterías convencionales. Las baterías 3D podrían resultar más baratas de fabricar, más rápidas de cargar, más seguras, más pequeñas y menos tóxicas para el medio ambiente que las baterías convencionales. Es más, puesto que pueden fabricarse para ser ligeras, flexibles y con una variedad casi sin límites de formas, podrían ofrecer aplicaciones de almacenamiento de energía antes inimaginables.
La batería 3D de estado sólido de Prieto representa dos diferencias fundamentales frente a las baterías de hoy: los materiales utilizados y el método de fabricación. En el laboratorio de Prieto, ubicado al pie de las montañas Rocosas, una serie de ocho contenedores de poca profundidad y llenos de agua ocupan una mesa. Al lado hay una estantería con rollos de espuma de cobre de varias densidades. La espuma es la materia prima de las baterías sobre la que el ánodo – hecho de antimonio de cobre (cobre mezclado con antimonio) – está galvanizado. La espuma es tan porosa que prácticamente es toda aire, pero un pequeño fragmento podría contener una enorme superficie. Aumentar la superficie reduce la distancia que tienen que recorrer los iones, aumentando así tanto la potencia y la densidad energética.
Una vez que la espuma se recubre con el ánodo forma capas de un electrolito de polímero que proporciona una barrera física que deja pasar a los iones (pero no a los electrones). Finalmente, el cátodo se aplica en forma de un lodo oscuro con aspecto de tinta. El producto final es una batería de espuma de unos cinco centímetros de ancho y del grosor de una hoja de papel. Selladas dentro de una petaca de plástico, las baterías de Prieto pueden cargarse rápidamente, almacenar hasta dos veces la cantidad de energía por unidad de volumen de las baterías convencionales, y carecen de la tendencia de sobrecalentarse de las baterías de iones de litio.
La idea de utilizar materiales porosos en los componentes de las baterías no es nueva: muchas baterías convencionales de ácido de plomo, por ejemplo, utilizan espuma en el ánodo. La noción de una batería fabricada con una arquitectura inte a competamente porosa nació del trabajo de Debra Rolison, una investigadora química del Laboratorio de Investigaciones Navales que lidera la Sección de Avanzados Materiales Electroquímicos del laboratorio. Rolison empezó a investigar nuevos materiales catalizadores para células de combustible a principios de la década de 1990, y en 1998 propuso una batería hecha de aerogeles de carbono – materiales porosos a los que se puede introducir un material de cátodo para crear una batería 3D de algo menos de ocho centímetros. Recuerda que cuando propuso la idea por primera vez, "el 99% de la gente creía que estaba loca de atar". Pero varios investigadores están ahora trabajando con este concepto, algunos con materiales novedosos como las setas portobello y la celulosa de madera.
La tecnología de baterías 3D como las de Prieto, dice Max Hamedi, un investigador de la Universidad de Harvard (EEUU) que trabaja en el desarrollo de baterías hechas a partir de la celulosa, "tiene el potencial de sobrepasar casi cualquier tipo de batería que se pueda fabricar en sistemas de 2D. Este trabajo está en auge ahora mismo".
Desde un inicio, Prieto ha buscado la sencillez. Para ello ha empleado materiales comunes en un proceso de fabricación de bajo coste que puede ser escalado fácilmente. El primer producto de la empresa no es una batería completa sino un recambio de ánodo de espuma de cobre que reemplazará los ánodos de grafito de las baterías convencionales. En septiembre, Prieto anunció una alianza con Intel que permitirá a la start-up aprovecharse de la experiencia del Grupo de Tecnología de Fabricación del fabricante de chips. Los primeros recambios de ánodo de Prieto podrían lanzarse al mercado hacia finales de 2016, dice su fundadora, y una batería podría seguir en 2018.
Existen, claro está, otras empresas que impulsan la innovación de las baterías de estado sólido. Sakti3 está desarrollando baterías de iones de litio de estado sólido que tienen la mitad o la tercera parte del tamaño de los sistemas convencionales, con la misma capacidad de almacenaje energético (ver Nuevas baterías para dar más autonomía a las aspiradoras). Seeo, una start-up radicada en Califo ia (EEUU) y enfocada a las baterías de estado sólido con ánodos metálicos de litio, fue adquirida recientemente por Bosch, uno de los principales proveedores de la industria automovilística (ver Una batería podría duplicar el alcance de los coches eléctricos). Ninguna de estas empresas utiliza una arquitectura de espuma 3D.
"Vemos el potencial de la tecnología de Prieto de contribuir a las innovaciones de dispositivos portables, en los que las baterías de estado sólido con una alta densidad energética podría habilitar nuevos usos interesantes", dice Mark Pontarelli, el director general de la incubadora inte a de negocios de Intel. "La espuma de cobre podría emplearse para crear baterías que ocupen con precisión los huecos vacíos de un diseño, proporcionando una vida útil más larga sin aumentar el tamaño del producto".
Como Pontarelli indica, es probable que las primeras aplicaciones sean pequeñas – en sistemas portables y la electrónica de consumo, por ejemplo – pero no existe ninguna razón evidente por la que las baterías de espuma no pudieran funcionar en vehículos eléctricos y, algún día, sistemas de almacenamiento energético a escala de red.