Un equipo de investigadores dise?a un prototipo de bater¨ªa que usa calcio en lugar de litio

Desde que se descubri¨® la electricidad, los inventores se han afanado en buscar formas de almacenarla. Las bater¨ªas no tardaron mucho en convertirse en la forma m¨¢s habitual de conservar la energ¨ªa por medios qu¨ªmicos, pero, para lograr que fuesen port¨¢tiles o pudiesen recargarse, hicieron falta siglos de ajustes en las combinaciones elementales que culminaron en las bater¨ªas de las que dependen los dispositivos en la actualidad. Las bater¨ªas de iones de litio, verdaderas protagonistas de esta era de dispositivos electr¨®nicos port¨¢tiles, parecen abocadas a morir de ¨¦xito. El litio resulta caro de extraer y peligroso de manipular, lo que a su vez dificulta su transformaci¨®n y reciclaje. La demanda sobrepasa los recursos disponibles, caracterizados por un aislamiento geogr¨¢fico ¡ªse hallan en lugares como las zonas despobladas de Australia¡ª que a?ade complejidad a las cadenas de suministro.

Los datos de la UE reflejan que Europa necesitar¨¢ hasta sesenta veces m¨¢s litio en 2050 para satisfacer la demanda de bater¨ªas con las que equipar los veh¨ªculos el¨¦ctricos y almacenar las energ¨ªas renovables en las que se sustentan los objetivos de emisiones recogidos en el Pacto Verde Europeo.

Partiendo de esta premisa, investigadores como Rosa Palac¨ªn, del Instituto de Ciencias de los Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), tratan de crear bater¨ªas con prestaciones similares empleando elementos m¨¢s abundantes y disponibles en Europa. Ella y su equipo, procedente de distintos pa¨ªses de la UE, se han propuesto construir un prototipo de bater¨ªa basado en el calcio, cercano al litio en la tabla peri¨®dica. Esta iniciativa se financia por medio de una beca EIC Pathfinder Open del Consejo Europeo de Innovaci¨®n, y se ha bautizado como proyecto CARBAT.

El calcio es un elemento tremendamente com¨²n ¡ª2.000 veces m¨¢s que el litio¡ª que se encuentra en los huesos o en la creta, entre otras muchas fuentes. Seg¨²n explica Palac¨ªn, ¡°uno de los elementos m¨¢s abundantes en la corteza terrestre. No se concentra en ¨¢reas geogr¨¢ficas espec¨ªficas, como ocurre con el litio. Si la materia prima es barata, tambi¨¦n las bater¨ªas pueden serlo¡±.

Un suplemento de calcio

Todas las bater¨ªas poseen una estructura muy similar. Un flujo de iones positivos pasa de un electrodo negativo a otro positivo a trav¨¦s de un electrolito, mientras se produce una corriente el¨¦ctrica negativa que fluye fuera de la bater¨ªa y puede emplearse para alimentar dispositivos. Utilizar calcio como electrodo negativo ofrece ventajas frente al grafito de las bater¨ªas de iones de litio, ya que posee una densidad de energ¨ªa superior, esto es, una mayor capacidad de acumulaci¨®n de energ¨ªa por kilogramo. Para Palac¨ªn, ¡°con esta configuraci¨®n, en teor¨ªa, podemos obtener una densidad de energ¨ªa muy elevada empleando un metal como uno de los electrodos¡±.

Las bater¨ªas de iones de litio no pueden alcanzar tal densidad de energ¨ªa porque no pueden servirse del litio met¨¢lico altamente reactivo como electrodo. Este suele formar diminutas estructuras r¨ªgidas en forma de ¨¢rbol denominadas dendritas, las cuales pueden llegar a provocar cortocircuitos o incluso hacer explotar la bater¨ªa tras muchos usos.

Emplear calcio met¨¢lico en el interior de la bater¨ªa permite a los investigadores aprovechar sus propiedades elementales, ya que cuenta con dos electrones en su capa m¨¢s externa que puede perder. La investigadora espa?ola 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 bater¨ªa del mismo tama?o ofrecer¨ªa una autonom¨ªa mayor si se utiliza en un veh¨ªculo el¨¦ctrico, siempre que se encuentre un electrodo positivo adecuado¡±.

En busca de la sal adecuada

Sin embargo, esa misma propiedad complic¨® la selecci¨®n de otros componentes necesarios para construir el prototipo de bater¨ªa, como el electrolito por el que fluyen los iones. ?En el electrolito se producen muchas interacciones entre los iones de Ca2+ y las mol¨¦culas de disolvente, y ello reduce la movilidad del calcio?, indica Palac¨ªn. Una excelente conductividad en el electrolito implica que los iones pueden moverse m¨¢s r¨¢pido, lo que a su vez aumenta la potencia de la bater¨ªa.

Para superar este escollo, los investigadores desarrollaron modelos de varias sales y disolventes para hallar un electrolito capaz de crear una capa de pasivaci¨®n 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 comercializaci¨®n del prototipo ser¨ªa mejorar los m¨¦todos empleados para fabricar los electrodos a partir de calcio y desarrollar electrodos positivos adecuados.

Otros elementos abundantes

Juan Lastra, de la Universidad T¨¦cnica de Dinamarca, particip¨® en otra iniciativa para desarrollar bater¨ªas a partir de elementos comunes. Lastra particip¨® en el proyecto SALBAGE, como parte de un equipo de investigadores que trataban de desarrollar una bater¨ªa a partir de un ¨¢nodo de aluminio y un c¨¢todo de azufre. El aluminio es incluso m¨¢s abundante que el calcio, pero incorporarlo a una bater¨ªa plantea dificultades similares.

¡°Todos estos iones multivalentes (Ca2+, Al3+) son muy reactivos, y es dif¨ªcil hacer que se muevan por s¨ª solos¡±, explica Lastra. En las bater¨ªas de aluminio-azufre, el aluminio se encuentra siempre en forma de aluminio y algunos iones de cloruro, AlCl4-. ¡°Se produce un proceso de conversi¨®n en el que este aluminio se desacopla gradualmente del grupo AlCl4 y reacciona con el azufre en el lado del c¨¢todo¡±, se?ala Lastra, a lo que a?ade que ¡°se parece m¨¢s a la bater¨ªa de plomo-¨¢cido de un coche que a la de iones de litio de un tel¨¦fono m¨®vil¡±.

Bater¨ªas flexibles

Para optimizar la transferencia de estos iones, el equipo se propuso crear y utilizar un nuevo tipo de electrolito denominado disolvente eut¨¦ctico profundo. Este consiste en unir dos s¨®lidos para que se conviertan en un l¨ªquido. ¡°Funciona igual que cuando mezclas sal con hielo y forman un l¨ªquido ¡ªsalmuera¡ª 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 proporci¨®n de mezcla para desarrollar un electrolito l¨ªquido: ¡°Modelizamos cerca de 300 ¨¢tomos, para un tiempo de simulaci¨®n no superior a un nanosegundo, pero simular un nanosegundo de este l¨ªquido lleva medio a?o de trabajo¡±. Este proceso se dilata tanto porque los investigadores deben analizar un mill¨®n de pasos por nanosegundo para simular adecuadamente todas las posibles reacciones.

Una vez identificada la proporci¨®n adecuada, los investigadores del proyecto en Espa?a descubrieron que pod¨ªan convertir el electrolito en un gel a?adiendo pol¨ªmeros a la soluci¨®n. Seg¨²n el investigador, ¡°resulta muy ¨²til disponer de un gel, por motivos de seguridad y factor de forma. Si puedes utilizar gel para desarrollar una bater¨ªa, esta ser¨¢ flexible y podr¨¢ doblarse¡±.

Emplear un gel en lugar de un l¨ªquido tambi¨¦n aporta beneficios en t¨¦rminos de seguridad, ya que se reducen las posibilidades de que se produzcan fugas. A ello hay que a?adir que los materiales son todos seguros y econ¨®micos: ¡°El aluminio, el azufre, el propio electrolito y la urea son muy, muy baratos. Incluso el pol¨ªmero 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 bater¨ªas de iones de litio es que contienen elementos t¨®xicos y escasos, lo que dificulta mucho su integraci¨®n en la econom¨ªa circular. ¡°Este tipo de tecnolog¨ªa puede ser una opci¨®n muy competitiva para desarrollar aplicaciones est¨¢ticas, como las empleadas para almacenar energ¨ªa de un parque e¨®lico o solar¡±, declara Lastra.

La investigaci¨®n descrita en este art¨ªculo se financi¨® con fondos de la UE. Art¨ªculo publicado originalmente en Horizon, la Revista de Investigaci¨®n e Innovaci¨®n de la Uni¨®n Europea.

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