Baterías, tú y yo

Nací en Colombia en 1992 en medio de una sequía histórica. La mayor parte de la energía eléctrica en el país se genera en represas hidroeléctricas, de manera que hubo grandes apagones a causa de la sequía. Ahí comienza mi relación con la electricidad, en un año de apagones en el que el entonces ministro de comercio exterior y hoy nobel de paz, Juan Manuel Santos, corrió los relojes del país para ahorrar energía. Veinte años más tarde, en la Universidad Nacional, descubrí mi fascinación por el mundo de la nanotecnología. Me parecía increíble que uno pudiera hacer cosas del tamaño de una milésima del grosor de un cabello. Más impresionante aún, que con esos objetos miniatura podamos salvar al mundo de apagones en el futuro.

El mundo produce gran parte de la energía que consumimos quemando combustibles. Al quemarlos se liberan gases que llegan a la atmósfera y causan contaminación y calentamiento global. Más allá de esos problemas, hoy sabemos que estos combustibles fósiles no van a durar por siempre: una vez quemados, ya no se pueden volver a usar. De manera que, a menos que hagamos algo, el mundo va a sufrir grandes apagones en el futuro. Esta preocupación ha llevado a científicas e ingenieras de todo el mundo a crear soluciones. En mi opinión, la solución más inteligente es usar la energía del viento y de la luz solar para mover el mundo del futuro.

Para tomar la energía del viento y de la luz y transformarla en algo útil, como cargar el celular, es necesario usar turbinas eólicas y paneles solares. Estas tecnologías ya están reemplazando los combustibles fósiles en muchas partes del mundo. La gran pregunta con esta alternativa es: ¿qué hacemos cuando no hace viento o no hace sol? Aquí es donde entran las baterías. Con las baterías podemos tomar esa electricidad que se genera cuando hay viento o hace sol, y guardarla para cuando haga falta. Esa es justamente la razón por la cual tenemos baterías en los teléfonos, computadores y en los vehículos: no hace falta estar conectados a la fuente de electricidad todo el tiempo. Las baterías de hoy son buenas, pero aún deben mejorar si queremos que todos los carros sean eléctricos o que el mundo funcione con la energía del sol en lugar de los combustibles fósiles.

Este es el punto en el que nos conectamos la nanotecnología, las baterías y yo. Unos años atrás, yo estaba obsesionado con la energía solar y quería usar nanomateriales para hacer celdas solares. Como soy buen ingeniero y científico, leí un montón y aprendí que el cuello de botella en la implementación de las energías solares era cómo almacenar la energía. La energía no es algo que sencillamente se pueda meter en un tanque y luego sacarlo abriendo una llave. Para almacenar energía en una batería, se necesitan materiales especiales que sean capaces de cambiar cuando uno les mete la energía, y regresar a su estado original cuando uno les saca la energía. Esos cambios ocurren a una escala tan pequeña que solo a través de la nanotecnología podemos verlos y manipularlos.

Tan intrigado estaba yo con este desafío, que decidí hacer un doctorado en el tema para aprender más. Hace cuatro años, cuando comencé el doctorado, mi conocimiento acerca de baterías no era mucho más profundo que el tuyo. Lo único que sabía es que las baterías estaban en todos lados: el celular en mi bolsillo, el portátil en mi maletín, el reloj en mi nochero. Ese era yo en el 2016, y estoy seguro de que hoy tú tienes más baterías de las que yo tenía en ese entonces. Tantas baterías por todos lados, y uno sin saber cómo funcionan.

Después de todo este tiempo, al fin encontré una respuesta sencilla que satisfizo mi curiosidad. Así es como funcionan las baterías: la batería de tu teléfono está hecha de tres componentes principales: un lado negativo, uno positivo y un líquido en el medio. Cuando usamos el teléfono, lo que pasa en la batería es como un juego: bolitas diminutas de litio se mueven del lado negativo al lado positivo nadando a través del líquido del medio. Adivina qué pasa cuando cargas el teléfono. Así es, las bolitas diminutas de litio se mueven al revés: del lado positivo al lado negativo de la batería. Mientras más bolitas puedas mover, más electricidad se puede almacenar en la batería.

Espero que a estas alturas te estés preguntando dos cosas: 1) ¿Al son de qué tengo que cargar mi teléfono todos los días? 2) ¿Qué está haciendo la comunidad científica para que la carga me dure más? Pues aquí están las respuestas. El número de bolitas de litio en la batería depende de los materiales del lado positivo y del lado negativo. Lo que limita a las baterías hoy es el material del lado negativo: grafito, que es el mismo material de la punta de los lápices. Ese material solo alcanza a guardar suficientes bolitas de litio para más o menos un día de carga. La ventaja del grafito es que se le pueden meter y sacar esas bolitas de litio una y mil veces sin problema. Hasta ahí mi respuesta a la primera pregunta.

Para responder la segunda pregunta, me daré la libertad de alardear de mi doctorado. Al comienzo de mis estudios trabajé en un nuevo tipo de material para el lado negativo de la batería. Lo chévere de este material es que puede almacenar casi diez veces más bolitas de litio que el grafito. El gran problema con este material es que se quiebra cuando se le meten y se le sacan las bolitas de litio. Si se rompe, la batería deja de funcionar. Para poder usar este material, hay que hacerlo más resistente y evitar que se rompa, y para evitar que se rompa hay que primero entender cómo se rompe. Lo que hice en mi tesis de doctorado fue observar cómo se rompía el material en tiempo real usando rayos X. Nuestras observaciones en la escala nano ya están ayudando a otras ingenieras a diseñar este tipo de materiales de manera tal que no se rompan cuando cargas y descargas la batería. Cuando resolvamos este problema, en lugar de cargar el teléfono todos los días, vamos a poder cargarlo una vez a la semana. ¿No sería genial?

Bueno, cargar el teléfono con menos frecuencia es un pequeño triunfo para nosotros como comunidad científica. La verdadera victoria será mover el mundo usando la energía de la luz y del viento en lugar de combustibles fósiles y sucios. Al fin de cuentas, es la energía lo que nos conecta a las baterías, a ti y a mí.

Puedes encontrar este artículo en inglés aquí.