Un proyecto complementario desarrolla un almacén de energía flexible a partir de un ánodo de aluminio y un cátodo de azufre
Los datos de la UE
reflejan que Europa necesitará hasta sesenta veces más litio en 2050 para satisfacer
la demanda de baterías con las que equipar los vehículos eléctricos y almacenar
las energías renovables en las que se sustentan los objetivos de emisiones
recogidos en el Pacto Verde Europeo.
Partiendo de esta
premisa, investigadores como Rosa Palacín, del Instituto de Ciencias de los
Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), tratan de crear baterías con prestaciones
similares empleando elementos más abundantes y disponibles en Europa. Ella y su
equipo, procedente de distintos países de la UE, se han propuesto construir un
prototipo de batería basado en el calcio, cercano al litio en la tabla
periódica. Esta iniciativa se financia por medio de una beca EIC Pathfinder
Open del Consejo Europeo de Innovación, y se ha bautizado como proyecto CARBAT.
El calcio es un
elemento tremendamente común —2.000 veces más que el litio— que se encuentra en
los huesos o en la creta, entre otras muchas fuentes. Según explica Palacín,
“uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre. No se concentra
en áreas geográficas específicas, como ocurre con el litio. Si la materia prima
es barata, también las baterías pueden serlo”.
Un suplemento de
calcio
Todas las baterías
poseen una estructura muy similar. Un flujo de iones positivos pasa de un
electrodo negativo a otro positivo a través de un electrolito, mientras se produce
una corriente eléctrica negativa que fluye fuera de la batería y puede
emplearse para alimentar dispositivos. Utilizar calcio como electrodo negativo
ofrece ventajas frente al grafito de las baterías de iones de litio, ya que
posee una densidad de energía superior, esto es, una mayor capacidad de
acumulación de energía por kilogramo. Para Palacín, “con esta configuración, en
teoría, podemos obtener una densidad de energía muy elevada empleando un metal
como uno de los electrodos”.
Las baterías de iones
de litio no pueden alcanzar tal densidad de energía porque no pueden servirse
del litio metálico altamente reactivo como electrodo. Este suele formar
diminutas estructuras rígidas en forma de árbol denominadas dendritas, las
cuales pueden llegar a provocar cortocircuitos o incluso hacer explotar la
batería tras muchos usos.
Emplear calcio
metálico en el interior de la batería permite a los investigadores aprovechar
sus propiedades elementales, ya que cuenta con dos electrones en su capa más
externa que puede perder. La investigadora española explica: “Cuando el calcio
atraviesa el electrolito, dos electrones fluyen al exterior (en lugar de uno,
como en el caso del litio). Cabe suponer que una batería del mismo tamaño
ofrecería una autonomía mayor si se utiliza en un vehículo eléctrico, siempre
que se encuentre un electrodo positivo adecuado”.
En busca de la sal
adecuada
Sin embargo, esa
misma propiedad complicó la selección de otros componentes necesarios para construir
el prototipo de batería, como el electrolito por el que fluyen los iones. «En
el electrolito se producen muchas interacciones entre los iones de Ca2+ y las
moléculas de disolvente, y ello reduce la movilidad del calcio», indica
Palacín. Una excelente conductividad en el electrolito implica que los iones
pueden moverse más rápido, lo que a su vez aumenta la potencia de la batería.
Para superar este
escollo, los investigadores desarrollaron modelos de varias sales y disolventes
para hallar un electrolito capaz de crear una capa de pasivación en el electrodo
de calcio que facilitase la transferencia de iones. «Parece que, finalmente,
todas las sales de electrolitos que funcionan contienen boro», explica.
«Utilizamos tetrafluoroborato de calcio disuelto en una mezcla de etileno y
carbonato de propileno».
El siguiente paso en
el proceso de comercialización del prototipo sería mejorar los métodos
empleados para fabricar los electrodos a partir de calcio y desarrollar
electrodos positivos adecuados.
Otros elementos abundantes
Juan Lastra, de la
Universidad Técnica de Dinamarca, participó en otra iniciativa para desarrollar
baterías a partir de elementos comunes. Lastra participó en el proyecto
SALBAGE, como parte de un equipo de investigadores que trataban de desarrollar
una batería a partir de un ánodo de aluminio y un cátodo de azufre. El aluminio
es incluso más abundante que el calcio, pero incorporarlo a una batería plantea
dificultades similares.
“Todos estos iones
multivalentes (Ca2+, Al3+) son muy reactivos, y es difícil hacer que se muevan
por sí solos”, explica Lastra. En las baterías de aluminio-azufre, el aluminio
se encuentra siempre en forma de aluminio y algunos iones de cloruro, AlCl4-.
“Se produce un proceso de conversión en el que este aluminio se desacopla
gradualmente del grupo AlCl4 y reacciona con el azufre en el lado del cátodo”,
señala Lastra, a lo que añade que “se parece más a la batería de plomo-ácido de
un coche que a la de iones de litio de un teléfono móvil”.
Baterías flexibles
Para optimizar la
transferencia de estos iones, el equipo se propuso crear y utilizar un nuevo
tipo de electrolito denominado disolvente eutéctico profundo. Este consiste en
unir dos sólidos para que se conviertan en un líquido. “Funciona igual que
cuando mezclas sal con hielo y forman un líquido —salmuera— incluso a
temperaturas bajo cero”, explica Lastra.
Con ayuda de un
superordenador, crearon un modelo para combinar una sal de cloruro de aluminio
con urea, un compuesto presente en la orina, con el objetivo de hallar la mejor
proporción de mezcla para desarrollar un electrolito líquido: “Modelizamos
cerca de 300 átomos, para un tiempo de simulación no superior a un nanosegundo,
pero simular un nanosegundo de este líquido lleva medio año de trabajo”. Este proceso
se dilata tanto porque los investigadores deben analizar un millón de pasos por
nanosegundo para simular adecuadamente todas las posibles reacciones.
Una vez identificada
la proporción adecuada, los investigadores del proyecto en España descubrieron
que podían convertir el electrolito en un gel añadiendo polímeros a la
solución. Según el investigador, “resulta muy útil disponer de un gel, por
motivos de seguridad y factor de forma. Si puedes utilizar gel para desarrollar
una batería, esta será flexible y podrá doblarse”.
Emplear un gel en
lugar de un líquido también aporta beneficios en términos de seguridad, ya que
se reducen las posibilidades de que se produzcan fugas. A ello hay que añadir
que los materiales son todos seguros y económicos: “El aluminio, el azufre, el
propio electrolito y la urea son muy, muy baratos. Incluso el polímero lo es”.
La seguridad que
ofrecen los componentes puede ser un elemento clave para evitar su futura
obsolescencia. Una de las principales desventajas de las baterías de iones de
litio es que contienen elementos tóxicos y escasos, lo que dificulta mucho su
integración en la economía circular. “Este tipo de tecnología puede ser una
opción muy competitiva para desarrollar aplicaciones estáticas, como las
empleadas para almacenar energía de un parque eólico o solar”, declara Lastra.
Fuente: El
Pais.com