Baterías de estado sólido: el futuro del almacenamiento de energía empieza en un ordenador

Alfonso Gallo Bueno, CIC energiGUNE

Isaac Asimov enunció la relación por antonomasia entre ciencia y sociedad: “El aspecto más triste de la vida en este momento es que la ciencia acumula conocimiento más rápido de lo que la sociedad gana sabiduría”. Dicho de otra forma: ¿de qué nos sirve el conocimiento que recaba la ciencia si no redunda en sociedades más sabias?

Las disciplinas teóricas reflexionan sobre lo que se conoce de la naturaleza con la esperanza de extraer de ello leyes generales que permitan adquirir sabiduría. O lo que es lo mismo, hacer uso del conocimiento para entender más, para entender mejor. He aquí la paradoja: a cualquiera que le pregunten qué es lo contrario de la teoría, responderá indefectiblemente la práctica. Pero como vamos a ver unas líneas más abajo, nada más práctico que una buena teoría.

En realidad ya lo describió Linus Pauling, que comienza así su libro La naturaleza del enlace químico:

La mayoría de los principios generales de la estructura molecular y la naturaleza del enlace químico fueron formulados hace mucho tiempo por los científicos, por inducción a partir del gran cuerpo de datos químicos.

Así, en simbiosis fructífera con el experimento, la química teórica induce principios generales que pone en forma matemática, a partir de datos medidos. Si esas leyes generales son correctas, tendremos la herramienta que permite describir cualquier sistema químico en cualquier circunstancia. Es decir, que permite hacer predicciones. Y ¿qué hay más útil que una herramienta predictiva?

El reto de almacenar energía eléctrica

A pesar de los importantes avances conseguidos, no somos tan buenos almacenando energía eléctrica como sería deseable. Pero al mismo tiempo, para afrontar de manera eficaz el cambio de paradigma que supone el abandono de los combustibles fósiles, necesitamos disponer de métodos eficaces y seguros para almacenar toda la energía eléctrica posible.

La química teórica contribuye a maximizar el éxito de la búsqueda de nuevos materiales, porque acelera y abarata ese proceso. Pero además favorece el descubrimiento de sistemas con propiedades sin precedentes, al permitir una prospección racional sin descartes arbitrarios.

Baterías de estado sólido, ¿qué son?

Las baterías de estado sólido son el próximo pequeño paso de gigante que se pretende dar en almacenamiento de energía eléctrica. En esencia se trata de reemplazar el electrolito líquido por uno sólido.

El electrolito es un componente fundamental en las baterías que entre otras propiedades debe permitir la migración de iones a través de sí mismo: debe ser conductor iónico.

Es fácil imaginar que un ion (por lo común el Li+) se desplace a través de un líquido, como una piedra que cae en el agua. Sin embargo, los iones también pueden moverse por un sólido, a través de canales que hay en su interior. Algo parecido a una gota de agua desplazándose por los caminos que dejan los granos en un vaso de arena.

La química teórica en acción

Entonces surge la pregunta más importante en el diseño de materiales y moléculas: ¿cuál es el sólido óptimo? De entre la extensa variedad de sistemas sólidos con propiedades atractivas para su uso como electrolitos, una estructura cristalina de interés (esto es, con sus átomos ocupando ordenadamente posiciones fijas del espacio) es la argirodita.

A partir de su composición conocida, existen miles de combinaciones atómicas alternativas no presentes en la naturaleza. Por supuesto, las desconocemos todas y sería interesante analizarlas para saber si son o no más adecuadas que las conocidas.

Para una argirodita como esta, si mantenemos el mismo ion (Li+) y reemplazamos el resto de átomos que la componen por otros elementos de la tabla periódica, tendremos cientos de miles de combinaciones posibles. La mayoría de esas combinaciones no existen en la naturaleza y sería necesario sintetizarlas desde cero para analizarlas.

Generaciones de químicos teóricos, en un trabajo invaluable, además de generar el corpus matemático que permite describir teóricamente, es decir, matemáticamente, un sistema químico, han implementado esas teorías en códigos computacionales que permiten ponerlas en práctica. Así que, aprovechando el gran poder de cálculo de las computadoras actuales, podemos resolver las a menudo complejas ecuaciones matemáticas que describen la naturaleza química de la materia.

Es decir, el ordenador es el laboratorio de los químicos teóricos, que predicen datos en vez de medirlos.

La química computacional permite encontrar la configuración concreta estable de esa nueva argirodita no existente, evaluar su comportamiento frente a procesos atmosféricos como la oxidación, la hidrólisis, etc. y modelizar su capacidad para permitir el paso de iones. Y todo ello de manera teórica; es decir, permite simular su existencia. De manera que sin siquiera ponerse la bata de laboratorio, podemos obtener un modelo del sistema de estudio y predecir sus propiedades con un alto grado de precisión y de manera rápida, barata e inocua para el ser humano y la naturaleza.

La utilidad de lo inútil

Así que la química teórica y computacional viene a ser algo así como la disciplina del sumo aprovechamiento. El conocimiento químico adquirido se ha aprovechado para extraer principios generales que, aprovechando las herramientas matemáticas disponibles, se han podido expresar en un lenguaje que se resuelve sacando provecho de la gran capacidad de las máquinas de cálculo.

Entonces, la química teórica, una disciplina básica inútil por naturaleza, que en esencia no busca otra cosa que entender, se revela como una de las herramientas más prácticas de la ciencia. Y no solo eso, sino que además nos permite entender mejor, alejando al ser humano de ser un tonto culto, un sot savant para los franceses; un learned fool como dicen los ingleses. Ah, también lo dijo Einstein: “Cualquier tonto puede saber. Lo importante es entender”.

Alfonso Gallo Bueno, Investigador post-doctoral en química teórica y modelización aplicado al almacenamiento de energía, CIC energiGUNE