Se busca con urgencia suplente para el litio de las bater¨ªas

La utilizaci¨®n de elementos como el litio, el cobalto y n¨ªquel para la fabricaci¨®n de bater¨ªas supone una dependencia de materiales escasos (y, por lo tanto, caros), t¨®xicos y cuya extracci¨®n y procesamiento causa numerosos problemas ambientales; hacen falta dos millones de litros de agua para extraer 1.000 kilos de litio. Los investigadores buscan con urgencia sustitutos que sean abundantes, renovables, biodegradables, seguros y de bajo coste e impacto ambiental. La soluci¨®n puede estar cerca: el sodio y el calcio, dos elementos abundantes con los que se investiga para evitar que la demanda de litio se multiplique por 60 en dos d¨¦cadas, seg¨²n las previsiones de la UE.

A la imparable proliferaci¨®n de dispositivos dom¨¦sticos y port¨¢tiles se suman los dos mayores desaf¨ªos: la electrificaci¨®n de la movilidad y el almacenamiento de las energ¨ªas renovables para disponer de corriente de forma continua. ¡°No hay suficientes iones de litio, cobalto y n¨ªquel para satisfacer las necesidades de todos¡±, afirma John Abou-Rjeily, investigador de la empresa Tiamat Energy, surgida del Centro Nacional de Investigaci¨®n Cient¨ªfica de Francia (CNRS).

Este doctor en F¨ªsica y Qu¨ªmica de los Materiales investiga, seg¨²n publica Horizon, como alternativa el sodio, uno de los elementos qu¨ªmicos m¨¢s abundantes en la corteza terrestre y cuyo procesamiento y uso es, a diferencia del litio, m¨¢s seguro y barato. Por el contrario, necesita m¨¢s volumen, por los que los desarrollos actuales a¨²n no son adecuados para peque?os dispositivos.

Tampoco pueden competir con el alcance que aportan los sistemas de almacenamiento actuales a los coches el¨¦ctricos. Pero podr¨ªan servir para alternativas en trayectos m¨¢s cortos, los mayoritarios. ¡°Si bien nunca desafiar¨ªa el alcance de 500 kil¨®metros de las bater¨ªas de iones de litio, este tipo de iones de sodio podr¨ªa ser m¨¢s competitivo para tramos m¨¢s peque?os. Podr¨ªan ser m¨¢s baratos para distancias cortas y medias en coche, explica Abou-Rjeily.

En la misma l¨ªnea se encuentran los investigadores de las universidades Chalmers de Tecnolog¨ªa (Suecia) y Delaware (Estados Unidos), seg¨²n un estudio publicado en Energy. ¡°Hay una tendencia a demandar una bater¨ªa realmente grande. Pero seg¨²n las investigaciones, generalmente, es suficiente una un poco m¨¢s peque?a, con menor alcance que el de un tanque de gasolina, ya que el ¨²nico momento en que necesitar¨ªa una autonom¨ªa mayor es para un viaje de seis horas o m¨¢s, en cuyo caso, el conductor podr¨ªa cargar sobre la marcha. Se hace demasiado hincapi¨¦ en la necesidad de una autonom¨ªa realmente larga y esto conduce a un aumento del precio del veh¨ªculo y a un mayor uso de los recursos para los coches el¨¦ctricos¡±, comenta Frances Sprei, profesor de Chalmers.

Para este doctor en Energ¨ªa y Media Ambiente, es necesario este cambio de mentalidad para adecuar las instalaciones de carga donde las personas pasan m¨¢s tiempo: en casa y en el trabajo. Sprei lamenta que, por el contrario, muchos pa¨ªses europeos se centran en la red de recarga en carreteras y v¨ªas.

Esta simple modificaci¨®n de la percepci¨®n de las necesidades impulsar¨ªa a¨²n m¨¢s al sodio como alternativa, ya que permitir¨ªa desplegarlas en hogares y centros de trabajo como sistemas de almacenamiento de energ¨ªa procedente de fuentes renovables. En este sentido trabaja Magdalena Graczyk-Zajac, profesora de la Universidad T¨¦cnica de Darmstadt en Alemania, e integrante del proyecto europeo SIMBA, que concluye su primera fase el pr¨®ximo junio.

Se podr¨ªa conducir el coche gratis durante ocho o nueve meses al a?o

Magdalena Graczyk-Zajac, profesora de la Universidad T¨¦cnica de Darmstadt

La investigadora apuesta por almacenar la energ¨ªa capturada por los paneles fotovoltaicos de los hogares en una bater¨ªa dom¨¦stica recargable de iones de sodio. Esta alimentar¨ªa las casas y cargar¨ªa los veh¨ªculos el¨¦ctricos de sus moradores con una significativa reducci¨®n de costes. ¡°Se podr¨ªa conducir el coche gratis durante ocho o nueve meses al a?o¡±, asegura. El prototipo ya est¨¢ en pruebas de laboratorio.

Una parte, el ¨¢nodo, est¨¢ hecha de carbono duro, que se puede obtener a partir de madera u otros residuos biol¨®gicos. Para el c¨¢todo se prueba con blanco de Prusia, un compuesto qu¨ªmico procedente de un pigmento azul del mismo nombre, pero con m¨¢s sodio y rico en hierro, uno de los metales m¨¢s abundantes.

El centro de investigaci¨®n vasco CIC energiGUNE, cuenta con su propio desarrollo en este ¨¢mbito: un ¨¢nodo met¨¢lico de sodio con un espesor de tan s¨®lo siete micras (70 veces m¨¢s fino que los actuales) conseguido a trav¨¦s de un proceso de evaporaci¨®n f¨ªsica. ¡°Este avance¡±, seg¨²n este centro, ¡°abre la puerta a la fabricaci¨®n de bater¨ªas flexibles de estado s¨®lido con el ¨¢nodo delgado de sodio, una alternativa m¨¢s segura, econ¨®mica y de menores dimensiones a las actuales bater¨ªas con electrolito l¨ªquido en las que se emplea grafito¡±.

¡°El sodio no se puede laminar con facilidad debido a su textura pegajosa, parecida a la plastilina¡±, explica Montse Galcer¨¢n, investigadora principal de este proyecto a CIC energiGUNE. ¡°Hasta la fecha, el m¨¦todo m¨¢s com¨²n que se usaba para laminar un bloque de sodio era tan b¨¢sico como procesarlo con un martillo, pero eso provocaba que no se pudiera obtener una l¨¢mina fina y homog¨¦nea, y, por tanto, hubiera un gran exceso de sodio inutilizado en las bater¨ªas. Gracias a la evaporaci¨®n, hemos logrado superar ese obst¨¢culo¡±, asegura.

Este adelgazamiento del ¨¢nodo permite reducir la cantidad de sodio necesaria, y los costes, el peso y las dimensiones de las bater¨ªas, mientras aumenta de la densidad de energ¨ªa (mayor capacidad de acumulaci¨®n) y la seguridad.

Si la materia prima es barata, tambi¨¦n las bater¨ªas pueden serlo

Rosa Palac¨ªn, Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC)

Otro elemento con el que se trabaja como sustituto del litio es el calcio. ¡°Es uno de los elementos m¨¢s abundantes en la corteza terrestre y 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¡±, sostiene Rosa Palac¨ªn, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) e integrante del proyecto CARBAT a Horizon.

Utilizar calcio como electrodo negativo ofrece ventajas frente al grafito de las bater¨ªas de iones de litio, ya que posee una capacidad de acumulaci¨®n por kilogramo (densidad de energ¨ªa) superior a las bater¨ªas convencionales de litio que, adem¨¢s, forman diminutas estructuras r¨ªgidas denominadas dendritas y pueden provocar cortocircuitos o explotar tras muchos usos, seg¨²n explica la entidad.

¡°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¡±, explica Palac¨ªn.

La clave es la elecci¨®n de los componentes m¨¢s adecuados. ¡°Parece que, finalmente, todas las sales de electrolitos que funcionan contienen boro. Utilizamos tetrafluoroborato de calcio disuelto en una mezcla de etileno y carbonato de propileno¡±, precisa la investigadora.

Otros investigadores de la Universidad T¨¦cnica de Dinamarca buscan, en el proyecto SALBAGE, 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 los materiales empleados son baratos. El aluminio, el azufre, el propio electrolito y la urea son muy, muy baratos. Incluso el pol¨ªmero lo es¡±, asegura el investigador de la universidad danesa Juan Lastra, quien defiende esta opci¨®n para almacenar energ¨ªa de un parque e¨®lico o solar.

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