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Por qué no tenemos avances en baterías
Un avance prometedor que quedó en nada sugiere lo que se necesitará para fabricar baterías baratas para autos eléctricos. 10 de febrero de 2015
Los coches eléctricos son rápidos y silenciosos, con una autonomía más que suficiente para la mayoría de los desplazamientos. Si desea un automóvil con una aceleración extremadamente rápida, el Tesla Model S es difícil de superar. Y, por supuesto, los vehículos eléctricos evitan la contaminación asociada con los automóviles convencionales, incluidas las emisiones de dióxido de carbono al quemar gasolina. Sin embargo, representan una pequeña fracción de las ventas de automóviles, principalmente porque las baterías que los impulsan son caras y deben recargarse con frecuencia.
Una batería mejor podría cambiarlo todo. Pero si bien se han anunciado innumerables avances durante la última década, una y otra vez estos avances no se han traducido en baterías comerciales con las mejoras prometidas en costos y almacenamiento de energía. Algunas nuevas empresas bien financiadas, en particular A123 Systems, comenzaron con afirmaciones audaces pero no cumplieron (ver ¿Qué pasó con A123?).
Esta historia fue parte de nuestra edición de marzo de 2015
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la casa de poder, un nuevo libro del periodista Steve LeVine, narra la historia detrás de uno de los anuncios de batería más dramáticos de los últimos años y explica cómo quedó en nada (ver La triste historia del avance de la batería que demostró ser demasiado bueno para ser verdad). El anuncio se hizo en febrero de 2012, en una conferencia en Washington, DC, donde una multitud de investigadores, empresarios e inversionistas habían venido a escuchar a personas como Bill Gates y Bill Clinton exponer sobre la importancia de la nueva tecnología energética, y también a aproveche una de las fuentes de financiación más nuevas en Washington, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Energía, o ARPA-E. Fundada en 2009, ARPA-E tenía la tarea de identificar investigaciones potencialmente transformadoras. El titular de esa agencia, Arun Majumdar, estaba listo para revelar uno de sus primeros grandes éxitos: una celda de batería, desarrollada por la startup Envia, que podría almacenar el doble de energía que una convencional. El costo de una batería que podría llevar un auto de Washington a Nueva York sin recargar, dijo Majumdar, bajaría de $30,000 a $15,000. Los coches eléctricos se volverían mucho más asequibles y prácticos (ver Un gran salto en la capacidad de la batería).
En cuestión de meses, GM obtuvo la licencia de la tecnología y firmó un acuerdo para respaldar su desarrollo, obteniendo el derecho a usar las baterías resultantes. El acuerdo valía potencialmente cientos de millones de dólares para Envia, escribe LeVine. Pero pronto, Envia recibió mensajes frustrados de los ingenieros de GM que no podían reproducir los resultados de la puesta en marcha. Un año después del anuncio, el trato se echó a pique. La impresionante batería de Envia había sido una casualidad.
Cosas revisadas
La central eléctrica
Por Steve LeVine
Vikingo, 2015
El relato de LeVine sobre el trabajo de Envia muestra por qué es tan difícil lograr un gran progreso en las baterías y por qué las nuevas empresas que prometen avances que cambiarán el mundo han tenido problemas. Durante la última década, hemos visto mejoras notables en esta industria, pero provienen en gran medida de empresas establecidas que realizan pequeños avances de manera constante.
La celda de Envia era un nuevo tipo de batería de iones de litio. Inventadas a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980 y comercializadas en la década de 1990, estas baterías generan corriente eléctrica cuando los iones de litio se transportan entre dos electrodos. Ligeros pero potentes, han transformado la electrónica portátil. Su uso en coches eléctricos, sin embargo, es reciente. En la década de 1990, GM usó baterías de plomo-ácido más baratas para su EV-1 eléctrico; cada batería pesaba unos voluminosos 600 kilogramos y entregaba solo de 55 a 95 millas antes de que necesitara recargarse. Cuando Tesla Motors presentó uno de los primeros autos eléctricos impulsados por iones de litio en 2008, podía recorrer 250 millas con una carga, aproximadamente tres veces más que el EV-1. Pero el vehículo costó más de $100,000, en gran parte porque las baterías eran muy caras. Para reducir costos, los autos eléctricos de iones de litio fabricados hoy por compañías como Nissan y GM usan paquetes de baterías pequeños con un alcance de menos de 100 millas.
Si bien se han anunciado innumerables avances durante la última década, una y otra vez estos avances no se tradujeron en baterías comerciales.
Una cosa difícil sobre el desarrollo de mejores baterías es que la tecnología aún no se comprende bien. Cambiar una parte de una batería, por ejemplo, introduciendo un nuevo electrodo, puede producir problemas imprevistos, algunos de los cuales no pueden detectarse sin años de pruebas. Para lograr los tipos de avances que buscan los capitalistas de riesgo y ARPA-E, Envia incorporó no solo uno, sino dos materiales de electrodos experimentales.
LeVine describe lo que salió mal. En 2006, Envia obtuvo la licencia de un material prometedor desarrollado por investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne. Posteriormente, se descubrió un problema importante. El problema, que un ejecutivo de una compañía de baterías denominó un factor catastrófico, era que, con el tiempo, el voltaje al que funcionaba la batería cambiaba de manera que la hacía inutilizable. Los investigadores de Argonne investigaron el problema y no encontraron una respuesta lista. No entendían la química básica y la física del material lo suficientemente bien como para comprender con precisión qué estaba mal, y mucho menos arreglarlo, escribe LeVine.
Una mirada al interior de un Tesla Model S muestra la batería, una losa gris que ocupa la mayor parte del espacio entre las ruedas delanteras y traseras.
Con su material experimental para el electrodo opuesto, éste a base de silicio, Envia se enfrentó a otro desafío. Aparentemente, los investigadores habían resuelto el principal problema de los electrodos de silicio: su tendencia a desmoronarse. Pero la solución requería técnicas de fabricación poco prácticas.
Cuando Envia hizo su anuncio en 2012, parecía haber descubierto cómo hacer que estos dos materiales experimentales funcionaran. Desarrolló una versión del electrodo de silicio que podía fabricarse de manera más económica. Y a través de prueba y error, se había topado con una combinación de recubrimientos que estabilizaba el voltaje del material Argonne. El cofundador de Envia, Sujeet Kumar, entendió que la respuesta era un compuesto de recubrimientos, escribe LeVine. Pero todavía no sabía qué estaba deteniendo el compuesto o por qué tenía éxito al hacerlo. Como Envia era una startup con fondos limitados, no tenía los instrumentos para resolverlo. Pero una vez que se hizo evidente que los resultados que Envia había informado para su batería no se podían reproducir, comprender el problema se volvió crucial. Incluso pequeños cambios en la composición de un material pueden tener un impacto significativo en el rendimiento, por lo que Envia sabía que su batería récord funcionó debido a un contaminante en un lote de material de uno de sus proveedores.
La historia de Envia contrasta fuertemente con lo que resultó ser el esfuerzo reciente más exitoso para reducir el precio de las baterías y mejorar su rendimiento. Este éxito no proviene de un gran avance, sino de la estrecha asociación entre Tesla Motors y el principal proveedor de celdas de batería, Panasonic. Desde 2008, el costo de los paquetes de baterías de Tesla se ha reducido aproximadamente a la mitad, mientras que la capacidad de almacenamiento ha aumentado en un 60 por ciento. Tesla no intentó cambiar radicalmente la química o los materiales de las baterías de iones de litio; más bien, realizó mejoras incrementales de ingeniería y fabricación. También trabajó en estrecha colaboración con Panasonic para ajustar la química de los materiales de las baterías existentes de acuerdo con las necesidades precisas de sus automóviles.
Desde 2008, el costo de los paquetes de baterías de Tesla se ha reducido aproximadamente a la mitad, mientras que la capacidad de almacenamiento ha aumentado en un 60 por ciento.
Tesla afirma que está en camino de producir un automóvil eléctrico de $35,000 con un alcance de aproximadamente 200 millas para 2017, una hazaña equivalente a lo que GM esperaba lograr con la nueva batería de Envia. La compañía anticipa vender cientos de miles de estos autos eléctricos al año, lo que sería un gran salto de las decenas de miles que vende ahora. Sin embargo, para que los automóviles eléctricos representen una parte significativa de los aproximadamente 60 millones de automóviles vendidos cada año en todo el mundo, es probable que las baterías deban mejorar considerablemente. Después de todo, 200 millas están muy por debajo de las más de 350 millas que la gente está acostumbrada a manejar con un tanque de gasolina, y $35,000 todavía es bastante más que el precio de $15,000 de muchos autos pequeños a gasolina.
¿Cómo cerraremos la brecha? Probablemente todavía haya mucho espacio para mejorar las baterías de iones de litio, aunque es difícil imaginar que el éxito de Tesla con cambios menores en la química de la batería continuará indefinidamente. En algún momento, pueden ser necesarios cambios radicales como los previstos por Envia. Pero la lección del fiasco de Envia es que tales cambios deben integrarse estrechamente con la experiencia en fabricación e ingeniería.
Ese enfoque ya está dando resultados prometedores con el material de Argonne que obtuvo la licencia de Envia. La batería de Envia funcionaba con altos voltajes para lograr altos niveles de almacenamiento de energía. Ahora, los fabricantes de baterías están descubriendo que el uso de niveles de voltaje más modestos puede aumentar significativamente el almacenamiento de energía sin los problemas que preocupaban a Envia. Mientras tanto, los investigadores de baterías están publicando artículos que muestran cómo pequeñas cantidades de aditivos cambian el comportamiento de los materiales, lo que hace posible aumentar el voltaje y el almacenamiento de energía. La clave es combinar la investigación que ilumina los detalles sobre la química y la física de las baterías con la experiencia que los fabricantes de baterías han adquirido en la fabricación de productos prácticos.
Es una industria en la que es muy difícil para una startup, por muy atractiva que sea su tecnología, hacerlo sola. Andy Chu, exejecutivo de A123 Systems, que quebró en 2012, me dijo recientemente por qué las grandes empresas dominan la industria de las baterías. El almacenamiento de energía es un juego jugado por grandes jugadores porque hay muchas cosas que pueden salir mal en una batería, dijo. Espero que las startups tengan éxito. Pero puedes mirar la historia de los últimos años, y no ha sido buena.