Materiales avanzados y baterías del mañana: cómo la investigación puede llegar a impactar en el desarrollo de tecnologías de vanguardia.

Dr. Edgar Cuara Díaz*, Dra. Maiby Valle Orta,

Ing. Jesús Alfonso Mercado Silva, Dr. Uriel Alejandro Sierra Gómez

Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos.

Departamento de Materiales Avanzados del Centro de

Investigación en Química Aplicada.

En los últimos años, ha crecido el interés por la adopción de tecnologías limpias, tanto para ofertar productos y servicios, como para la generación de energía. La electrificación de sistemas que actualmente se energizan mediante combustibles fósiles han estado experimentado una muy necesaria actualización haciendo uso de nuevas tecnologías de producción y almacenamiento de electricidad lo cual permite disminuir su impacto ambiental. Entre las tecnologías mejor aceptadas se encuentra el almacenamiento de energía mediante el uso de baterías ion litio. Ha sido tan exitosa la implementación de esta tecnología que ya incluso están siendo utilizadas para energizar medios de transporte. No obstante, uno de los principales factores que influye en la decisión de comprar un vehículo eléctrico es su autonomía. Con la tecnología actual de baterías basadas en la química del litio, se puede esperar una autonomía de alrededor de 450 km, forzando a escalas de 30 a 60 minutos para recargar el coche en recorridos que superen dicha distancia.

Actualmente, se están desarrollando diversas tecnologías que buscan reducir los factores que afectan el rendimiento de los vehículos. Estas innovaciones están enfocadas en mejorar la eficiencia, la durabilidad y los costos de mantenimiento, con el objetivo de hacer los vehículos más accesibles, confiables y sostenibles a largo plazo. Por ejemplo, diferentes grupos de investigación, así como los fabricantes de diversos países, se encuentran en una carrera para desarrollar baterías basadas en la química del ion-sodio que, aunque no poseen una capacidad de almacenamiento eléctrica tan alta como la de ion-litio, tienen varias ventajas importantes: no requieren el uso de metales contaminantes ni costosos como son el cobalto y el níquel, lo que las hace más sostenibles y seguras para el medio ambiente. Además, se espera que las baterías de ion-sodio tengan una vida útil más larga en muchas aplicaciones, lo que significa que podrían durar más tiempo antes de necesitar ser reemplazadas.

Otra tecnología muy prometedora para el almacenamiento de energía son las baterías de sulfuro de litio (LiS) las cuales pueden almacenar entre tres y cinco veces más energía por kilogramo que las baterías de ion-litio actuales. Dicha capacidad permitiría reducir considerablemente el peso, aumentar su autonomía, así como disminuir los costos de inversión y mantenimiento de los vehículos automotores. Así mismo, se consideran una de las tecnologías más seguras, ya que suelen ser estables química y térmicamente. Es tal la expectativa de las baterías de LiS que diversas empresas trabajan en su desarrollo estimando una integración en vehículos para el año 2030. Sin embargo, aún existen diversos retos técnicos por resolver antes de que las baterías de litio-azufre puedan ser utilizadas de manera comercial. Entre ellos destacan el cambio significativo de volumen que experimenta el cátodo durante los ciclos de carga y descarga, así como la necesidad de emplear grandes cantidades de aditivos conductores para compensar la baja conductividad eléctrica intrínseca del azufre.

Por otro lado, diversos grupos se enfocan en el desarrollo de baterías de estado sólido, que, al prácticamente no contener elementos inflamables, permiten una mayor estabilidad y seguridad de las baterías. Así mismo, se espera que tengan una vida útil mucho mayor, ya que al no utilizar electrolitos líquidos se reduce significativamente el riesgo de formación de dendritas en los electrodos, lo que ayuda a prevenir cortocircuitos internos. Sin embargo, aún se requiere resolver problemas relacionados con la velocidad de transporte de cargas a través del electrolito sólido, lo cual, provoca respuestas lentas ante las demandas de energía en los sistemas eléctricos, lo que puede traducirse en un desempeño reducido del vehículo, especialmente en aceleraciones o situaciones que requieren una entrega rápida de potencia.

Tratando de compensar la incapacidad de cualquier tecnología de batería para proporcionar respuestas rápidas ante los picos de demanda mencionados con anterioridad, también se encuentra en desarrollo tecnologías híbridas las cuales complementan al sistema de almacenamiento de energía con dispositivos supercapacitores, los cuales, aunque no posean una gran densidad energética, sí son capaces de satisfacer la demanda en corriente requeridos durante eventos como el encendido, la aceleración y los rebases reduciendo significativamente el estrés de la batería. Asimismo, estos dispositivos pueden absorber la energía recuperada durante el frenado para posteriormente energizar los motores eléctricos. El Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos (LNMG), incubado en el Centro de Investigación en Química Aplicada, se posiciona como un referente en este ámbito, desarrollando materiales bidimensionales y estructuras porosas tridimensionales que optimizan el almacenamiento de energía. Sus líneas de investigación incluyen la fabricación de colectores de corriente ligeros y flexibles, así como el desarrollo de plásticos reforzados con grafeno para aplicaciones en la industria automotriz. Estos desarrollos tienen el potencial de ser utilizados como sustratos conductores en la fabricación de colectores de corriente ligeros y flexibles. Así mismo, en el LNMG se desarrollan estructuras porosas tridimensionales, que son diseñadas para mejorar el almacenamiento de energía mediante el incremento del área superficial de los electrodos y una mayor interacción entre los componentes de las baterías, todo ello con una reducción en el peso de los dispositivos. Adicionalmente, el LNMG trabaja en el desarrollo de plásticos reforzados con grafeno, los cuales ofrecen una mayor resistencia mecánica, lo que los hace adecuados para aplicaciones en componentes tanto de baterías como en la estructura de vehículos.

Un aspecto fundamental en el avance de estas investigaciones es la incorporación de alumnos en los proyectos de desarrollo de materiales. Es por eso que el LNMG promueve su participación activa en la síntesis, caracterización y prueba de prototipos que contribuyen directamente a generar nuevo conocimiento y validar hipótesis científicas. De esta manera, los estudiantes aportan ideas innovadoras, creatividad y esfuerzo experimental que fortalecen el trabajo de los grupos de investigación. Al mismo tiempo, esta participación permite la formación de capital humano especializado, dotando a los estudiantes de competencias técnicas de alto nivel y experiencia en investigación aplicada.

Tomando en consideración todo lo mencionado, se puede decir que la electrificación de los medios de transporte es el futuro de la industria automotriz. No obstante, y aunque existan diversas tecnologías que permiten energizar los vehículos, tenemos que aceptar que aún queda mucho por investigar para igualar el desarrollo que actualmente se tiene con los dispositivos de combustión interna y que aún faltan algunos años de desarrollo para poder aprovechar plenamente las tecnologías presentadas en este trabajo a un costo aceptable para la mayoría de la población y esto se haría posible a través del desarrollo de proyectos de investigación en estas áreas con el apoyo de investigadores y alumnos para lograr impactar en estas tecnologías.