La empresa australiana Graphene Manufacturing Group (GMG) ha anunciado los resultados de las pruebas de rendimiento de un nuevo tipo de batería de iones de aluminio y grafeno que han resultado muy prometedoras. Su densidad de potencia multiplica por diez la de las baterías de iones de litio actuales, lo que implica una velocidad de carga muy superior sin que sea necesario incluir un sistema de refrigeración, lo que significa también un aumento de su vida útil (hasta tres veces más).

Muchas de las investigaciones sobre baterías para vehículos eléctricos que actualmente están en curso buscan eliminar materiales como el litio de la ecuación. Actualmente, el 90% de la producción de litio se encuentra ubicada en un solo país, China, lo que significa que las cadenas de suministro al resto del mundo tienen ahí una vulnerabilidad causada por las posibles disputas comerciales.

El director científico del grupo de fabricación de grafeno, el Dr. Ashok Kumar Nanjundan (izquierda) y el Dr. Xiaodan Huang, del Instituto Australiano de Bioingeniería y Nanotecnología de la Universidad de Queensland. Foto: Grupo de fabricación de grafeno.

Precisamente las baterías creadas por GMG eliminan por completo este material. La compañía australiana no ha desarrollado esta tecnología de manera independiente, sino que fue ideada originalmente por la Universidad de Queensland. Las celdas utilizan nanotecnología para insertar átomos de aluminio dentro de pequeñas perforaciones realizadas en superficies planas de grafeno. Los resultados de las pruebas se han publicado en la revista Advanced Functional Materials.

Los resultados de las pruebas y su aplicación a la movilidad eléctrica

Los prototipos de este tipo de baterías, del tamaño de una pila de botón, han sido ensayados por el Instituto Australiano de Bioingeniería y Nanotecnología de la Universidad de Queensland. Los resultados que se anuncian indican que la densidad de potencia gravimétrica que se obtiene es de alrededor de 7.000 W/kg. Esta cifra determina la rapidez con la que una celda puede cargarse y descargarse. En las baterías de litio actuales esta cantidad puede estar entre los 250 y los 700 W/kg. Para poner en contexto la cifra anunciada, las baterías de iones de aluminio estarían por debajo de los ultracondensadores, que alcanzan valores de 12.000-14.000 W/kg, aunque no se quedarían excesivamente lejos.

Mientras que la velocidad de carga alcanza cifras impresionantes, el hándicap está en la densidad de energía. Esta es de alrededor de 150-160 Wh/kg, que supone alrededor del 60% de lo que ofrecen las mejores baterías de litio actuales. Este parámetro ha sido durante mucho tiempo (y continúa siéndolo en muchos casos) el dato más importante de la hoja de especificaciones de las baterías de los vehículos eléctricos. Cuanto mayor sea la densidad de energía, mayor autonomía pueden homologar.

El proceso de fabricación de las celdas de iones de aluminio de Graphene Manufacturing Group deja caer átomos de aluminio en las perforaciones del grafeno. Foto: GMG.

Sin embargo, el dato obtenido para la velocidad de carga puede hacer que los fabricantes se fijen en esta tecnología alternativa, puesto que ofrece otras ventajas que son clave en el contexto de la movilidad eléctrica. Según GMG, estas baterías se cargan tan rápido que, por ejemplo, un teléfono móvil podría completar su carga en un enchufe convencional en una horquilla que va de 1 a 5 minutos. Aplicado a un vehículo eléctrico, y a una carga rápida en corriente continua, el efecto de una menor autonomía podría compensarse perfectamente con el de unos tiempos de recarga mucho más cortos.

Otra ventaja que se añade es la durabilidad que puede llegar a ofrecer. En las pruebas de carga y descarga, las baterías se sometieron a 2.000 ciclos completos sin ningún deterioro aparente en el rendimiento, es decir, sin ninguna degradación en su capacidad energética.

Además, son extremadamente seguras, gracias a un excelente rendimiento térmico, puesto que no se produce calentamiento ni durante la carga ni durante la descarga, lo que reduce el potencial de incendios. Así lo asegura el director gerente de GMG, Craig Nicol, en una entrevista realizada por Forbes. ”En un vehículo, el 20% del peso de un paquete de baterías de iones de litio está relacionado con el sistema de enfriamiento”. Con lo que se sabe hasta ahora, “existe una gran posibilidad de que no necesitemos esa refrigeración o calefacción en absoluto”. En las pruebas realizadas los prototipos a pequeña escala no se sobrecalientan y además funcionan muy bien a temperaturas por debajo de cero. Por lo tanto es posible prescindir de los circuitos de climatización “que representan actualmente alrededor de 80 kilogramos de peso en un en un paquete de baterías de 100 kWh de capacidad”.

Otra manera de hacer números

Este hecho cambia los cálculos de autonomía ya que esta potencial reducción de peso influye sobre ella. En función de la densidad de potencia, una batería de iones de litio de 100 kWh y una batería de GMG ocuparían el mismo espacio. Sin embargo, al prescindir de los 80 kilogramos de peso del sistema de climatización, ese espacio podría ser ocupado por material activo, lo que llevaría a alcanzar los 72,8 kWh de capacidad, lo que reduce la brecha entre ambas.

Esta cantidad se traduce en una cifra de autonomía que elimina la ansiedad de rango y que además se compensa con la mayor velocidad de carga que puede ofrecer y el extra de durabilidad de la batería de iones de aluminio.

Durante la recarga de las baterías los iones de aluminio regresan al electrodo negativo e intercambian tres electrones de aluminio por ion (los iones de litio solo intercambian uno). Foto: GMG.

Un inconveniente: la red de recarga ultrarrápida

Uno de los inconvenientes principales que surgen a la hora de implementar las baterías de iones de aluminio en los vehículos eléctricos es la infraestructura de recarga. Los teléfonos móviles pueden cargarse rápidamente sin por ello poner en peligro la red eléctrica, pero no ocurre lo mismo con los coches eléctricos. Por ejemplo, los Supercargadores de Tesla ya alcanzan potencias de hasta 250 kW, lo que representa una transferencia de energía de 60 kWh en aproximadamente 15 minutos. En el caso de las baterías de iones de aluminio, para poder cargar 10 veces más rápido se necesita que pasen por el cable de carga 2,5 MW de potencia.

Una central eléctrica típica de carbón tiene una producción total de alrededor de 600 megavatios, lo que quiere decir que con tan solo 240 coches eléctricos conectados al mismo tiempo a la red necesitarían una potencia de carga instantánea equivalente a toda la central eléctrica. Esto sin contar con que GMG asegura que el potencial de recarga es muy superior al mostrado por las pruebas, pudiendo ser hasta 60 veces mayor que el que ofrecen las celdas actuales de litio.

De esto se deduce que la carga rápida para vehículos eléctricos tiene un potencial limitado que no conviene sobrepasar. Hay que tener en cuenta además que la tendencia es a aumentar la generación mediante fuentes de energía renovable, eliminando centrales de carbón y gas, que son las que se encienden y apagan rápidamente para atender a los picos de demanda.

La solución puede ser incorporar a las estaciones de recarga grandes sistemas de almacenamiento en baterías que separasen la demanda de la red. En cualquier caso, también hay que tener en cuenta el tipo de cable que sería necesario implementar entre el poste de recarga y el conector del vehículo.

Y otro inconveniente, el grafeno

El material de fabricación también es clave en la batería presentada por GMG. Necesita grafeno poroso para que tanto dentro como alrededor se difundan las moléculas de aluminio en el proceso de fabricación.

La empresa asegura que puede producir grafeno de alta calidad, a bajo coste y en cantidades escalables, pero no da cifras sobre lo que podrían llegar a costar estas baterías si se fabricaran a escala. Con los precios del grafeno actuales, alrededor de 100 dólares por gramo, incluso una versión de “bajo coste” podría terminar siendo prohibitivamente cara.

La línea de tiempo

Como en toda investigación, hay una importante brecha en el tiempo desde que un prototipo pasa por el banco de pruebas hasta que se materializa en un producto real de mercado. Esta brecha es todavía más grande en la industria de la automoción.

La batería de botón es la primera de iones de aluminio que producirá de Graphene Manufacturing Group, arrancando a principios del próximo año. Foto: GMG.

GMG ofrecerá prototipos de celdas de tipo botón para pruebas de clientes a muy pequeña escala a finales de este año. Según indica, las celdas con formato tipo bolsa están “en proceso”, lo que significa que no hay indicios de cuándo se podrían encontrar baterías de gran tamaño en el mercado fabricadas a gran escala.

Escrito por Gonzalo García