Pensándolo bien...
Pilas y baterías forman parte del escenario más actual de problemas a resolver. Una vez que se han tomado determinadas decisiones encaminadas a propiciar el uso de dispositivos y vehículos alimentados por energía eléctrica, ha aparecido descarnadamente la falta de competitividad con las tecnologías preexistentes en cuando a prestaciones: duración, seguridad, peso, recarga, vida media, etc.
Durante los últimos 50 años, el desarrollo de baterías y pilas ha experimentado una evolución significativa tanto en eficiencia como en versatilidad. Desde las pilas alcalinas convencionales hasta las sofisticadas baterías de estado sólido, los avances han sido impulsados por la creciente demanda de dispositivos portátiles, la transición energética hacia fuentes renovables y la electrificación del transporte.
Muchas han sido las innovaciones clave en la tecnología de almacenamiento electroquímico desde la década de 1970 hasta la actualidad. En la década de 1970, las pilas alcalinas eran la fuente de energía dominante en productos de consumo. Introducidas en los años 50, estas pilas primarias no recargables ofrecían una mejora sustancial en densidad energética frente a las pilas de zinc-carbono. Utilizan óxido de manganeso como cátodo, zinc como ánodo y una disolución de hidróxido de potasio como electrolito. A pesar de su popularidad, su incapacidad de recarga y su impacto ambiental llevaron al desarrollo de tecnologías más sostenibles.
Las baterías recargables de níquel-cadmio (Ni-Cd) fueron una de las primeras alternativas reutilizables. Combinaban una capacidad de descarga razonablemente alta con buena estabilidad térmica, aunque el efecto memoria y la toxicidad del cadmio limitaron su adopción masiva. En los años 80, las baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH) sustituyeron progresivamente a las Ni-Cd en productos electrónicos como cámaras digitales, reproductores de música y juguetes.
El verdadero punto de inflexión en la tecnología de baterías ocurrió en 1991, cuando Sony comercializó la primera batería de ion de litio (Li-ion). Basadas en los trabajos pioneros de John B. Goodenough, Akira Yoshino y Stanley Whittingham, estas baterías ofrecieron una densidad energética muy superior (entre 150 y 250 Wh/kg), bajo peso, y sin efecto memoria. Su arquitectura básica consta de un ánodo de grafito, un cátodo de óxidos metálicos (como LiCoO₂), y un electrolito líquido orgánico con sales de litio (como LiPF₆).
En las décadas siguientes, las Li-ion se perfeccionaron mediante mejoras en los materiales catódicos (como NMC: níquel-manganeso-cobalto; y LFP: fosfato de hierro-litio), la optimización del electrolito, y la ingeniería de seguridad (separadores termoresistentes, sistemas de gestión BMS). Esto permitió su adopción generalizada en móviles, portátiles, drones y especialmente en vehículos eléctricos, siendo la hoy denostada Tesla un actor clave en su aplicación a gran escala.
Una de las fronteras más prometedoras en el almacenamiento energético actual son las baterías de estado sólido (Solid-State Batteries, SSB). A diferencia de las Li-ion tradicionales, reemplazan el electrolito líquido inflamable por un material sólido, lo que incrementa la seguridad y permite el uso de ánodos de litio metálico, aumentando la densidad energética potencial hasta 500 Wh/kg. Investigadores de Toyota, QuantumScape y Solid Power han logrado celdas con ciclos superiores a 500 cargas completas sin degradación significativa.
Los principales retos de las SSB incluyen la manufactura a escala industrial, la estabilidad interfacial entre el electrolito sólido y los electrodos, y la gestión de las dendritas de litio. Sin embargo, la perspectiva de un rendimiento superior en seguridad y autonomía las posiciona como sucesoras naturales de las Li-ion en movilidad eléctrica eincluso aeronáutica.
Imagen creada con ayuda de ChatGPT con DALL-E
A medida que las energías renovables como la solar y la eólica se integran en la red eléctrica, el almacenamiento estacionario cobra relevancia. Las baterías de flujo redox, como las de vanadio, permiten una separación entre capacidad energética (volumen del electrolito) y potencia (tamaño de la celda). Esto las hace ideales para sistemas de respaldo energético en redes inteligentes y plantas fotovoltaicas. Aunque su densidad energética es inferior a la de las Li-ion, su capacidad de ciclaje (decenas de miles de ciclos), bajo riesgo térmico y facilidad de escalado las hacen competitivas para almacenamiento estacionario de larga duración.
En paralelo al desarrollo de baterías, los supercondensadores (o ultracondensadores) han emergido como dispositivos complementarios para aplicaciones que requieren descargas rápidas y alta potencia, como frenos regenerativos o fuentes de respaldo momentáneo. Aunque su densidad energética es baja (5–10 Wh/kg), su capacidad de carga-descarga instantánea (más de un millón de ciclos) y su resistencia térmica los hacen valiosos en entornos extremos.
Los dispositivos híbridos como las denominadas baterías de ion de sodio-capacitor y las baterías de litio con ánodos de silicio están impulsando la convergencia entre alta densidad energética y alta potencia, reduciendo los compromisos tecnológicos tradicionales.
En los últimos años, la investigación se ha centrado también en la sostenibilidad de las baterías. Los materiales como el cobalto, el níquel y el litio presentan riesgos geopolíticos y medioambientales. Np hay más que ver cómo anda el mundo en estos menesteres. Se están desarrollando cátodos sin cobalto (como LFP) y ánodos basados en silicio, sodio, o incluso carbono derivado de biomasa. Además, las baterías de ion de sodio (Na-ion) han ganado atención como alternativa económica. Aunque su densidad energética es menor (~100–160 Wh/kg), su menor coste y la abundancia del sodio las hacen atractivas para aplicaciones estacionarias y vehículos ligeros. Empresas como CATL y Faradion ya están lanzando celdas comerciales de Na-ion. También se han desarrollado tecnologías de reciclaje mediante hidrometalurgia y pirólisis, así como sistemas de segunda vida para baterías usadas en vehículos eléctricos, aplicándolas en almacenamiento doméstico.
También, los avances en nanotecnología han permitido crear estructuras de electrodos más eficientes, como nanoalambres, capas atómicas de grafeno, o nanocompuestos. Estas técnicas permiten una mayor superficie activa, mejor conducción electrónica y menor degradación por ciclos. Incluso se exploran las llamadas “baterías biológicas”, como pilas bacterianas y bio-supercondensadores, donde microorganismos generan corrientes a partir de materia orgánica. Aunque aún en fase experimental, representan una convergencia entre biología y electroquímica con posibles aplicaciones en sensores autónomos o ambientes extremos.
Ahora, como en tantas otras áreas de investigación y desarrollo, irrumpe la IA pretendiendo aportar lo que quizás no se advierte desde el trabajo humano convencional. La IA se suma pretendiendo acelerar el desarrollo en baterías buscando materiales y desde la cooperación internacional. Un equipo del Max Planck a accedido a 1,5 millones de euros en el marco del proyecto europeo FULL-MAP, que es un consorcio de 33 socios de 12 países que pretenden incentivar el descubrimiento de materiales para baterías.
Se precisan baterías de un periodo de vida más prolongado, mayor capacidad de almacenamiento de energía y soslayar la intervención de elementos escasos y caros o críticos. Ahí se incorpora la IA con aprendizaje automático y modelización mutiescala que junto con los resultados experimentales conocidos o a realizar permitirán descubrir y desarrollar materiales de nueva generación para baterías.
Como en las aplicaciones recientes de la IA, se trata de automatizar los procesos de laboratorio y llevar a cabo experimentos integrando elementos esenciales. Las redes neuronales son la vertiente de la IA hoy en vigor que, en este caso, incorporarán la física y la química necesarias para mejorar el rendimiento de las baterías, superar los problemas de envejecimiento tanto a mesoescala como a nivel de celda, diseño y síntesis de microelectrodos y adecuación delos electrolitos.
Reconociendo que a nivel privado los avances no han sido suficientes, la Comisión europea toma cartas en el asunto y apoya un proyecto que suma el mundo académico con la industria e incorpora la IA como bálsamo capaz de impulsar el diseño de materiales y lograr una comercialización razonable para las exigencias del mundo actual, no satisfechas con la oferta hasta ahora propiciada. Al tiempo, no cabe duda de que es una salvaguarda de respeto a los criterios medioambientales y económicos.
Los avances en baterías y pilas en los últimos 50 años han transformado radicalmente el panorama energético global. Desde las pilas alcalinas hasta las baterías de estado sólido y los sistemas de flujo, la evolución ha sido multidimensional: mayor densidad energética, mayor seguridad, menor impacto ambiental y creciente integración con tecnologías inteligentes. No ha sido suficiente. El mundo ha desbordado con exigencia de mejores prestaciones que sean competitivas con las tecnologías preexistentes. El futuro del almacenamiento eléctrico apunta hacia soluciones más limpias, económicas y adaptables, en sintonía con una transición energética sostenible y una sociedad cada vez más electrificada.
Sopa de letras: PILAS BATERÍAS E IA
Soluciones: APOPTOSIS SELECTIVA DISORAZOL Z1