Inventan unas baterías de agua reciclables

El almacenamiento de energía de iones de litio domina el mercado debido a su madurez tecnológica, pero su idoneidad para el almacenamiento de energía en redes a gran escala está limitada por preocupaciones de seguridad con los materiales volátiles en su interior.

Pero ahora un equipo internacional de investigadores y colaboradores de la industria dirigido por la Universidad RMIT ha inventado «baterías de agua» reciclables que no se incendian ni explotan.

El investigador principal, el profesor Tianyi Ma, ha explicado que estas baterías están a la vanguardia de un campo emergente de dispositivos de almacenamiento de energía acuosa, con avances que mejoran significativamente el rendimiento y la vida útil de la tecnología.

«Lo que diseñamos y fabricamos se denominan baterías acuosas de iones metálicos, o podemos llamarlas baterías de agua», dijo Ma, de la Facultad de Ciencias del RMIT, en un comunicado.

El equipo utiliza agua para reemplazar electrolitos orgánicos, que permiten el flujo de corriente eléctrica entre los terminales positivo y negativo, lo que significa que sus baterías no pueden provocar un incendio ni explotar, a diferencia de sus contrapartes de iones de litio.

«Al abordar los desafíos de eliminación al final de su vida útil que enfrentan los consumidores, la industria y los gobiernos en todo el mundo con la tecnología actual de almacenamiento de energía, nuestras baterías se pueden desmontar de manera segura y los materiales se pueden reutilizar o reciclar», dijo Ma.

La simplicidad de los procesos de fabricación de estas baterías de agua ayuda a que la producción en masa sea factible. «Utilizamos materiales como el magnesio y el zinc que abundan en la naturaleza, son económicos y menos tóxicos que las alternativas utilizadas en otros tipos de baterías, lo que ayuda a reducir los costos de fabricación y reduce los riesgos para la salud humana y el medio ambiente».

El equipo ha creado una serie de baterías de prueba a pequeña escala para numerosos estudios revisados por pares con el fin de abordar diversos desafíos tecnológicos, incluido el aumento de la capacidad de almacenamiento de energía y la vida útil.

En su último trabajo, publicado en Advanced Materials, triunfaron sobre un desafío importante: el crecimiento de dendritas disruptivas, que son formaciones metálicas puntiagudas que pueden provocar cortocircuitos y otras fallas graves.

El equipo cubrió las piezas afectadas de la batería con un metal llamado bismuto y su óxido (también conocido como óxido) como una capa protectora que impedía la formación de dendritas.

Como resultado las baterías ahora duran mucho más, comparable a las baterías comerciales de iones de litio en el mercado, lo que las hace ideales para uso intensivo y de alta velocidad en aplicaciones del mundo real, según los autores.

«Con una capacidad impresionante y una vida útil prolongada, no solo hemos avanzado en tecnología de baterías, sino que también hemos integrado exitosamente nuestro diseño con paneles solares, mostrando un almacenamiento de energía renovable eficiente y estable».

La batería de agua del equipo está acortando distancias con la tecnología de iones de litio en términos de densidad de energía, con el objetivo de utilizar el menor espacio posible por unidad de energía.

«Recientemente fabricamos una batería de agua de iones de magnesio que tiene una densidad de energía de 75 vatios-hora por kilogramo (Wh kg-1), hasta un 30% de la de las últimas baterías de automóviles Tesla».

Una batería está compuesta por una combinación de celdas que crean una capacidad de voltaje y corriente específica. La batería es un componente clave en un coche eléctrico, ya que determina la autonomía, la entrega de energía al motor y afecta mucho al peso y al diseño del vehículo. Forman parte de un sofisticado sistema que además de las propias celdas, incluye su contenedor, refrigeración, cableado y gestión electrónica.

Una batería está formada por grupos de celdas conectadas en serie, como si fuera un enjambre de minibaterías, que trabajan en conjunto para almacenar la energía necesaria para mover el vehículo.

Con la tecnología de iones de litio, la estructura de celdas siempre es similar, independientemente de si se trata de un teléfono móvil o de una batería de un coche eléctrico. Siempre hay dos láminas de metal, como el cobre y el aluminio. Entre las láminas de metal están los dos polos con el cátodo y el ánodo, entre los cuales tiene lugar la reacción eléctrica. Para la reacción se requiere un metal reactivo como el litio. El mayor factor de coste es la composición del cátodo, es decir, el polo negativo de la batería. Se compone de una mezcla de níquel, manganeso y cobalto. El ánodo está hecho de polvo de grafito, litio, electrolitos y un separador.

Andreas Hintennach, director de investigación de celdas de batería en Daimler , asegura que «el silicio reemplazará en gran medida al polvo de grafito en el futuro. Esto nos permitirá aumentar la densidad de energía de las baterías en aproximadamente un 20 o un 25 %. El silicio nos permite usar materiales en el lado del cátodo que no son compatibles con el grafito que se usa actualmente. Imagine dos vasos». Si desea verter agua de uno a otro, el segundo debe tener al menos el mismo tamaño para que no se desborde. Del mismo modo, el ánodo y el cátodo deberían armonizarse, «lo que llamamos equilibrio. El silicio también se usa para mejorar la velocidad de carga».

Una de las estrategias actuales consiste en reemplazar el cobalto con otros materiales menos críticos, y en este sentido avanzan las investigaciones de Daimler. «Lo estamos investigando ya que con la generación actual de celdas de batería ya hemos podido reducir la proporción de cobalto en el material activo (níquel, manganeso, cobalto y litio) de alrededor de un tercio a menos del 20 %. En el laboratorio actualmente estamos trabajando con menos del 10 % y esta proporción se reducirá aún más en el futuro. Desde una perspectiva química, hay muchos argumentos para abstenerse por completo del cobalto. Cuanto más se reduce la mezcla de materiales, más fácil y más eficiente es reciclar. La energía requerida para la producción química también se reduce porque la mezcla es más fácil de producir».

Otra alternativa es la batería de litio/azufre. El azufre es un producto de desecho industrial casi sin coste, muy puro y puede reciclarse fácilmente. Presenta desafíos significativos con respecto a la densidad de energía, pero también tiene un eco-equilibrio inigualable. Sin embargo, pueden pasar años hasta que esta tecnología esté disponible para turismos. Reemplazar el níquel y el cobalto de las baterías actuales con azufre aumentaría significativamente la sostenibilidad.

La densidad de energía también tiene mucho potencial, pero la vida útil aún no es lo suficientemente larga y tomará un tiempo hasta que haya un avance en esta área. «En las baterías de litio-aire, en realidad solo hay litio», asegura. El resto, el oxígeno, simplemente proviene del aire. «Químicamente es un concepto similar al que tiene la pila de combustible, donde estamos usando hidrógeno. La densidad de energía sería sobresaliente, pero esta tecnología todavía está muy lejos de convertirse en una realidad».