Una Nueva Química
New Chemistry
Las baterías de iones de litio han surgido como una parte crítica de la vida moderna. Proporcionan la energía para arrancar y hacer funcionar vehículos, operar computadoras portátiles y teléfonos inteligentes sin cable de alimentación, y hacer funcionar una amplia gama de otras máquinas.
Sin embargo, a pesar de todas las ventajas de las baterías de iones de litio, también tienen algunas desventajas y no funcionan especialmente bien en ciertos entornos. Como resultado, los investigadores están avanzando con nuevos tipos de baterías. En enero de 2023, un grupo de investigadores de la Universidad de Tecnología de Viena (TU Wien) en Viena, Austria, anunció en un artículo científico que apareció en la revista Advanced Energy Materials que habían construido una batería alimentada por un proceso de iones de oxígeno.
El dispositivo, fabricado con materiales cerámicos no inflamables, absorbe y libera iones de oxígeno con carga negativa doble. Esto hace que la batería sea ideal para sistemas de almacenamiento a gran escala, como los integrados en las redes eléctricas. Si bien la tecnología de iones de oxígeno se encuentra actualmente relegada al laboratorio, los investigadores ya han solicitado una patente en colaboración con grupos asociados en España y Francia.
Según Alexander Schmid, investigador senior del Instituto de Tecnologías Químicas y Analíticas de TU Wien, “las baterías de iones de oxígeno esperan contribuir a hacer posible el almacenamiento de energía eléctrica sostenible a gran escala”.
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Hoy en día, las baterías de iones de litio alimentan el mundo. Se encuentran en sistemas grandes y pequeños. “Desde 2008, ha habido un salto de 5 a 10 veces en la densidad volumétrica. Este avance ha permitido alimentar dispositivos cada vez más pequeños durante períodos de tiempo cada vez más largos”, dice Brandon Lucia, profesor Kavčić-Moura de Ingeniería Eléctrica y Computación en la Universidad Carnegie Mellon.
Sin embargo, las baterías de iones de litio no son ideales para estructuras de almacenamiento, como hogares, centros de datos y redes. Las baterías pueden incendiarse, existen preocupaciones relacionadas con la obtención de materiales de tierras raras y son un peligro para el medio ambiente. “Existe la necesidad de disminuir la dependencia de minerales más raros que son difíciles de obtener, incluido el cobalto, que se ha asociado con abusos de derechos humanos”, dice Lucia.
En los últimos años, los investigadores han comenzado a explorar el uso de sodio, magnesio, potasio y otros materiales para diseñar nuevos y diferentes tipos de baterías. El grupo de TU Wien comenzó a experimentar con la tecnología de iones de oxígeno en 2021. “El proyecto comenzó como pura curiosidad académica, como una demostración ilustrativa de la física fundamental”, explica Schmid. “Solo más tarde nos dimos cuenta del gran potencial para su aplicación práctica en la economía energética”.
Aunque las baterías de iones de oxígeno funcionan a una temperatura más alta (aproximadamente de 200 a 400 grados Celsius) y pueden almacenar solo aproximadamente un tercio de la energía de una batería de iones de litio del mismo tamaño (y, por lo tanto, probablemente requerirían sistemas más grandes), se pueden construir con materiales ampliamente disponibles como hierro, cromo, calcio, manganeso, titanio y estroncio. Además, utiliza un electrolito sólido que no es inflamable.
Las baterías tampoco sufren la misma pérdida de capacidad que ocurre con el tiempo en otros tipos de baterías, incluidas las de iones de litio. “Tienen la capacidad de regenerar la capacidad celular perdida a partir del oxígeno disponible en la atmósfera”, dice Schmid.
El avance de las baterías de iones de oxígeno
Las baterías de iones de oxígeno a escala de laboratorio se fabrican mediante un proceso de deposición de láser pulsado que produce películas delgadas. “Funciona disparando un láser UV de alta potencia hacia un objetivo cerámico. Debido a la alta energía, una parte de este objetivo se evapora y se convierte en un plasma”, dice Schmid. “Luego, este plasma se condensa en un sustrato a menudo calentado y forma una película delgada del mismo material que el objetivo cerámico”.
El sistema funciona de manera similar al de una batería de iones de litio, pero utiliza oxígeno en su lugar. Los electrodos cerámicos almacenan y liberan iones de oxígeno según sea necesario. El voltaje regula el flujo de iones entre los elementos cerámicos. La energía eléctrica se almacena bombeando iones de oxígeno de un electrodo cerámico al otro. Cuando estos iones fluyen de regreso, la batería libera la energía almacenada.
La tarea más difícil, según Schmid, fue perfeccionar el sistema de sellado. “Fue un gran desafío de ingeniería en nuestros sistemas actuales a escala de laboratorio”. El próximo desafío importante, agrega, es escalarlo y agregar circuitos de control electrónico o software que produzcan un sistema de batería comercialmente viable.
Es probable que a los grupos de investigación les lleve varios años llegar a un sistema comercialmente viable. Sin embargo, está claro que los investigadores han superado un obstáculo técnico clave y están en camino de construir baterías que podrían respaldar un marco de energía mucho más sostenible que incorpora sistemas de generación de energía solar y eólica.
Aunque aún quedan diversas preguntas y desafíos, Lucia describe la tecnología como “extremadamente prometedora”, especialmente debido a su resistencia a la degradación durante ciclos repetidos y sus beneficios ambientales. Schmid agrega: “Creemos que esta tecnología tiene un gran potencial”.
Samuel Greengard es un autor y periodista con sede en West Linn, Oregón, Estados Unidos.
