Una batería de zinc-yodo supera los 60.000 ciclos y se carga en tres minutos: ¿el futuro de nuestros móviles?

La industria lleva años persiguiendo la batería perfecta: más capacidad, recargas más rápidas, menor degradación y, si es posible, menos riesgos de incendio. Ahora, un grupo de investigadores de la Universidad de Flinders, en Australia, ha dado a conocer una batería acuosa de zinc-yodo capaz de superar los 60.000 ciclos de carga y descarga en determinadas condiciones de laboratorio.

La cifra resulta especialmente llamativa cuando se compara con las baterías de los dispositivos electrónicos actuales. Incluso los smartphones más modernos siguen teniendo una vida útil medida en unos pocos miles de ciclos como máximo, mientras que este prototipo apunta a una longevidad que, sobre el papel, podría medirse en décadas.

El otro dato que llama inmediatamente la atención es la velocidad. En uno de los escenarios estudiados, la batería puede cargarse en aproximadamente tres minutos y continuar funcionando durante más de 60.000 ciclos, aunque con una capacidad específica inferior a la alcanzada en pruebas algo más lentas.

Eso sí, conviene poner las expectativas en su sitio desde el principio. No estamos ante una batería para smartphones lista para entrar mañana en producción. El trabajo se ha realizado con celdas experimentales y los propios investigadores orientan actualmente la tecnología hacia el almacenamiento energético a gran escala, no hacia teléfonos o portátiles.

Más de 60.000 ciclos cambian por completo la idea de degradación

Cuando hablamos de baterías, los ciclos de carga representan una de las métricas más importantes para evaluar su envejecimiento. Un ciclo completo equivale, simplificando, a consumir y recuperar el equivalente al 100% de la capacidad de la batería, aunque no tenga por qué producirse en una única sesión.

Las baterías actuales de smartphones están diseñadas para conservar una parte razonable de su capacidad después de varios cientos o miles de ciclos. Por eso, alcanzar más de 60.000 ciclos coloca a este prototipo de zinc-yodo en otra dimensión respecto a los dispositivos de consumo que utilizamos habitualmente.

El estudio publicado por el equipo de Flinders describe tasas de pérdida de capacidad de apenas entre el 0,0001% y el 0,0003% por ciclo, dependiendo de las condiciones de funcionamiento. Esa degradación extremadamente baja es precisamente la que permite alcanzar cifras tan elevadas.

Para hacerse una idea puramente teórica, 60.000 ciclos equivaldrían a realizar dos ciclos completos diarios durante más de 82 años. Evidentemente, eso no significa que un futuro smartphone pudiera funcionar durante ocho décadas, ya que intervienen muchas otras formas de envejecimiento químico y físico, pero ayuda a entender la magnitud del avance.

Tres minutos de carga, pero con un matiz importante

La espectacular cifra de los tres minutos necesita algo de contexto. Los investigadores han probado diferentes configuraciones y han encontrado un equilibrio entre capacidad, velocidad de carga y longevidad, en lugar de obtener todos los valores máximos simultáneamente.

En una de las pruebas, la batería alcanzó aproximadamente 200 mAh/g de capacidad específica, funcionando durante más de 8.000 ciclos y cargándose completamente en unos siete minutos.

Cuando el sistema se ajustó para trabajar a aproximadamente 150 mAh/g, la carga pudo reducirse hasta unos tres minutos y la duración superó los 60.000 ciclos. Por tanto, el dato de carga ultrarrápida va acompañado de una reducción en la capacidad específica disponible.

Este tipo de compromiso es habitual en el desarrollo de baterías. Exigir más potencia, más densidad energética, más velocidad de carga y más vida útil al mismo tiempo suele resultar complicado, por lo que el verdadero logro consiste en haber conseguido una combinación extraordinariamente favorable de velocidad y durabilidad.

La clave está en impedir que el yodo se escape de donde debe estar

Las baterías acuosas de zinc-yodo no son un concepto completamente nuevo. Uno de sus mayores problemas históricos ha sido el denominado efecto lanzadera o shuttle effect de los poliyoduros, que provoca que determinadas especies químicas migren dentro de la batería y deterioren progresivamente su funcionamiento.

El equipo de Flinders ha abordado el problema utilizando un polímero basado en ciclodextrina. Estas moléculas poseen una estructura peculiar que puede actuar como una especie de jaula microscópica capaz de atrapar determinados compuestos del yodo y evitar que se desplacen donde no deben.

La ciclodextrina no es precisamente un material exótico. Se utiliza desde hace tiempo en industrias como la alimentaria, farmacéutica y cosmética, y puede obtenerse a partir de materiales relativamente baratos y biodegradables derivados del almidón.

Según el trabajo publicado en Angewandte Chemie International Edition, esta estructura permite controlar el movimiento de los polihaluros sin impedir las reacciones químicas necesarias para cargar y descargar la batería. Ese equilibrio es el que explica buena parte de su extraordinaria estabilidad.

Una batería basada en agua reduce drásticamente el riesgo de incendio

Otra característica especialmente atractiva de esta tecnología es que estamos hablando de baterías acuosas. Su electrolito utiliza agua, algo muy diferente de los electrolitos orgánicos inflamables empleados habitualmente en las baterías de iones de litio.

Esto supone una ventaja importante desde el punto de vista de la seguridad. Las baterías de litio pueden experimentar fenómenos como la fuga térmica cuando sufren daños, defectos internos o temperaturas extremas, desencadenando incendios difíciles de controlar.

Un electrolito acuoso elimina buena parte de ese riesgo de inflamabilidad. No quiere decir que cualquier batería de zinc-yodo sea automáticamente indestructible, pero su química ofrece un perfil de seguridad intrínsecamente más favorable frente al fuego que muchas baterías de litio convencionales.

Este aspecto resulta especialmente interesante para aplicaciones estacionarias, donde se acumulan grandes cantidades de energía en baterías situadas en viviendas, fábricas o instalaciones eléctricas. Cuanta más capacidad se instala en un mismo lugar, más importante se vuelve reducir cualquier riesgo de incendio.

El zinc también tiene ventajas frente al litio

El interés por el zinc no responde únicamente a cuestiones técnicas. Se trata de un material mucho más abundante y con una cadena de suministro menos concentrada que algunos de los minerales fundamentales para las baterías de iones de litio.

Esto podría ayudar a reducir costes y dependencia geopolítica en aplicaciones de almacenamiento energético. En el caso de Australia, además, el desarrollo resulta especialmente interesante porque el país dispone de importantes reservas de zinc y ya es uno de sus grandes productores.

Los investigadores también destacan que el empleo de polímeros económicos y biodegradables podría favorecer la sostenibilidad del sistema. La combinación de zinc, yodo, agua y materiales derivados de carbohidratos presenta una propuesta bastante distinta de la batería convencional.

Este aspecto cobra aún más relevancia a medida que aumenta el volumen de residuos procedentes de baterías. En Australia, las estimaciones citadas alrededor del proyecto apuntan a que los residuos de baterías de litio podrían crecer desde unas 3.300 toneladas anuales hasta más de 136.000 toneladas en 2036.

El avance llega mientras los móviles abrazan el silicio-carbono

Mientras los investigadores trabajan en químicas completamente nuevas, la industria del smartphone está avanzando actualmente por un camino mucho más conservador: mejorar las baterías de litio mediante ánodos con mayor contenido de silicio.

Las llamadas baterías de silicio-carbono permiten aumentar considerablemente la densidad energética sin necesidad de incrementar el volumen de la batería. En Teknófilo ya hemos explicado por qué las baterías de silicio-carbono están ganando tanta importancia.

Gracias a ellas, algunos fabricantes han conseguido superar holgadamente capacidades que hace pocos años parecían imposibles en un smartphone convencional. Compañías como Xiaomi, vivo, Honor y otros fabricantes chinos han liderado especialmente esta transición.

Samsung también parece estar acercándose finalmente a esta tecnología. Como contamos recientemente, la compañía prepara uno de sus mayores cambios en baterías Galaxy de los últimos años, precisamente mediante soluciones basadas en silicio-carbono.

El silicio-carbono soluciona un problema distinto

Es importante no presentar el zinc-yodo como un sustituto inmediato del silicio-carbono porque ambas tecnologías están intentando resolver problemas diferentes. El gran atractivo del silicio-carbono es aumentar la cantidad de energía almacenada en un volumen reducido.

Eso resulta perfecto para un smartphone. Si el fabricante puede introducir una batería de 7.000 mAh donde antes cabía una de 5.000 mAh, obtiene más autonomía sin hacer el teléfono mucho más grueso.

El zinc-yodo presentado por Flinders destaca en otros aspectos: longevidad, seguridad, velocidad de carga y utilización de materiales económicos. Por el momento, la densidad energética y el formato necesario para un dispositivo portátil no son los principales objetivos del proyecto.

Por eso, aunque resulte tentador imaginar inmediatamente un Galaxy o un iPhone con 60.000 ciclos de batería, la aplicación más lógica a corto y medio plazo está en otro lugar: sistemas estacionarios destinados a almacenar energía renovable.

El almacenamiento de energía puede ser su verdadero campo de batalla

Las redes eléctricas necesitan cada vez más baterías capaces de almacenar la energía generada por fuentes renovables. La energía solar y eólica son variables, por lo que resulta necesario almacenar los excedentes producidos en determinados momentos para utilizarlos después.

En una instalación estacionaria, algunas de las desventajas que podrían hacer difícil utilizar zinc-yodo en un smartphone dejan de ser tan importantes. El peso y el volumen, por ejemplo, son mucho menos críticos cuando la batería permanece instalada permanentemente en un edificio o una planta energética.

En cambio, aspectos como el precio, la seguridad y la cantidad de ciclos cobran una importancia enorme. Una batería que pueda cargarse y descargarse decenas de miles de veces con una degradación mínima podría tener un coste total de propiedad muy atractivo a lo largo de su vida útil.

Precisamente por eso, el profesor Zhongfan Jia, uno de los responsables del proyecto, señala que las baterías acuosas de zinc-yodo están evolucionando como una alternativa viable a las de litio para almacenamiento energético a gran escala. El grupo ya está trabajando con la industria en una plataforma de prototipado.

De una celda de laboratorio a una batería comercial hay un enorme salto

Conviene insistir en un detalle que fácilmente se pierde cuando aparecen cifras como 60.000 ciclos o tres minutos de carga: los experimentos actuales no equivalen a una batería completa de smartphone, coche eléctrico o vivienda.

Las celdas de laboratorio permiten evaluar una química concreta en condiciones controladas. Después hay que demostrar que el comportamiento se mantiene al aumentar drásticamente el tamaño, fabricar miles de unidades y someterlas a temperaturas, vibraciones y condiciones reales.

También debe comprobarse la autodescarga, la estabilidad durante años, la eficiencia energética, los costes industriales, la disponibilidad de materiales y la compatibilidad con procesos de fabricación masivos.

Muchas tecnologías que ofrecen resultados espectaculares en laboratorio nunca terminan llegando al mercado precisamente por estos motivos. La escalabilidad suele ser una barrera tan importante como descubrir la química inicial.

Los 60.000 ciclos tampoco pueden compararse directamente con un móvil

Comparar el dato de 60.000 ciclos con la batería de un smartphone resulta útil para entender la magnitud, pero técnicamente no es una comparación perfecta. Las condiciones de ensayo, la química, la capacidad específica y el régimen de carga son completamente distintos.

Un teléfono experimenta variaciones constantes de temperatura, picos elevados de consumo, recargas parciales, carga rápida y largos periodos funcionando cerca del 100% o con niveles muy bajos de batería.

En un laboratorio, en cambio, es posible utilizar parámetros muy concretos y repetibles. Por este motivo, trasladar directamente los 60.000 ciclos a una supuesta duración real de un smartphone sería exagerar las conclusiones del estudio.

Lo realmente relevante es que el material utilizado por Flinders ha conseguido reducir de manera extraordinaria uno de los mecanismos de degradación de las baterías de zinc-yodo. Eso abre una vía de investigación prometedora independientemente de si termina o no dentro de nuestros bolsillos.

¿Podrían llegar algún día a smartphones y portátiles?

No existe ninguna imposibilidad física que impida que una evolución futura de esta química termine utilizándose en dispositivos portátiles. Sin embargo, todavía faltaría demostrar que puede ofrecer la densidad energética, el voltaje y el tamaño necesarios para competir con las actuales baterías de litio.

Los prototipos estudiados trabajan alrededor de 1,3-1,4 V, mientras que las celdas de litio utilizadas en dispositivos electrónicos operan con voltajes notablemente superiores. Esto obligaría a adaptar el diseño eléctrico o combinar varias celdas.

También sería necesario conseguir una densidad energética suficientemente elevada. En un smartphone cada milímetro importa, por lo que una batería extremadamente longeva pero demasiado grande no tendría demasiado sentido.

Por este motivo, resulta mucho más probable que veamos primero esta tecnología en instalaciones industriales o sistemas de almacenamiento doméstico. Si esos primeros productos funcionan y la química continúa evolucionando, entonces podrían explorarse aplicaciones más pequeñas.

La carrera por reemplazar al litio está más abierta que nunca

Las baterías de zinc-yodo forman parte de una carrera mucho más amplia en la que participan baterías de estado sólido, sodio-ion, litio-azufre y múltiples variaciones de las actuales químicas de litio.

Ninguna tecnología parece capaz por ahora de ganar en todos los apartados simultáneamente. Algunas ofrecen una densidad energética excelente, otras son más económicas, otras más seguras y algunas prometen vidas útiles extraordinarias.

Eso probablemente significa que el futuro no estará dominado por una única batería universal. Un coche eléctrico, un smartphone y una instalación fotovoltaica doméstica pueden terminar utilizando químicas diferentes porque sus prioridades tampoco son las mismas.

En ese escenario, el trabajo de Flinders resulta especialmente interesante. Una batería que acepta recargas muy rápidas, utiliza un electrolito acuoso y puede superar decenas de miles de ciclos tiene argumentos muy poderosos para determinadas aplicaciones.

La gran promesa está en combinar seguridad, coste y longevidad

Las cifras espectaculares suelen acaparar los titulares, pero quizás el aspecto más importante de este trabajo no sea únicamente alcanzar los 60.000 ciclos. Lo realmente interesante es la combinación de durabilidad, materiales relativamente económicos, seguridad y carga rápida.

En almacenamiento energético a gran escala, esa combinación podría resultar incluso más importante que conseguir la máxima densidad energética posible. Una batería estacionaria no necesita ser extremadamente pequeña, pero sí debe ser barata, fiable y segura durante muchos años.

El uso de agua como base del electrolito y de polímeros derivados de ciclodextrina añade además un componente de sostenibilidad que podría ayudar a diferenciar esta química de otras alternativas.

Por ahora toca mantener cierta prudencia. El estudio demuestra que la química funciona extraordinariamente bien a escala experimental, pero convertirla en millones de baterías comerciales será el verdadero examen.

Un resultado prometedor, pero no tires todavía tu cargador

Es fácil imaginar el escenario ideal: cargar el móvil durante tres minutos por la mañana y olvidarse de la degradación de la batería durante décadas. Sin embargo, esa visión todavía está muy lejos de la situación actual.

La buena noticia es que el avance publicado por la Universidad de Flinders no se limita a una mejora incremental. Conseguir más de 60.000 ciclos demuestra que existen caminos muy diferentes a la batería de litio tradicional que todavía pueden ofrecer avances enormes.

Mientras tanto, los smartphones probablemente seguirán evolucionando gracias a tecnologías más maduras como el silicio-carbono. De hecho, estamos viendo cómo las capacidades aumentan rápidamente sin que los móviles tengan que convertirse en auténticos ladrillos.

Quizás dentro de unos años el zinc-yodo encuentre también un hueco en nuestros dispositivos. Hasta entonces, su oportunidad más inmediata parece estar en almacenar de forma segura y durante miles de ciclos la electricidad producida por energías renovables.