Las baterías de iones de litio son la base en la que la tecnología está solidificando el futuro, pero no son la única alternativa. Actualmente se enfrentan a una serie de retos, entre los que se encuentra el desarrollo de baterías más ligeras, potentes y, sobre todo, seguras con el medio ambiente.
Pila ion-litio con electrolito acuoso de 4 voltios
Es el caso de la pila de ion-litio basada en agua que supera el riesgo de explosión anunciada en septiembre del 2017
Una nueva bateria de iones de litio supera el riesgo de explosión e incendio usando una solución de agua-sal como electrolito. Alcanza la marca de 4,0 voltios deseada para la electrónica doméstica. La nueva batería ofrece alta energía y seguridad a la vez.
La investigación sigue un estudio anterior de 2015 que produjo una batería similar de 3,0 voltios con un electrolito acuoso, pero no pudo alcanzar mayores voltajes por el llamado «desafío catódico», en el que un extremo de la batería, hecho de grafito o litio, se degrada por el electrolito acuoso.
Para resolver este problema y dar el salto de tres voltios a cuatro, se diseñó un nuevo recubrimiento para el electrolito de gel de polímero que se puede aplicar al ánodo de grafito o litio.
Este revestimiento hidrofóbico expulsa las moléculas de agua en la proximidad de la superficie del electrodo y después, al cargarse por primera vez, se descompone y forma una interfase estable -una delgada mezcla de productos de descomposición que separa el ánodo sólido del electrolito líquido. Esta interfase, inspirada en una capa generada dentro de baterías no acuosas, protege el ánodo de reacciones secundarias debilitantes, permitiendo que la batería utilice materiales de ánodo deseables, tales como grafito o metal de litio, y consiga una mejor densidad de energía.
La innovación clave aquí es hacer el gel adecuado que puede bloquear el contacto del agua con el ánodo para que el agua no se descomponga y también pueda formar la interfase correcta para soportar un alto rendimiento de la batería.
La adición del revestimiento de gel también incrementa las ventajas de seguridad de la nueva batería cuando se compara con las baterías de ion-litio no acuosas estándar y aumenta la densidad de energía cuando se compara con cualquier otra propuesta de batería de iones de litio acuosa.
Todas las baterías acuosas de iones de litio se benefician de la inflamabilidad de los electrolitos a base de agua en comparación con los disolventes orgánicos altamente inflamables usados en sus contrapartes no acuosas. Sin embargo, algo único en este caso es que incluso cuando la capa de interfase está dañada (por ejemplo, si la carcasa de la batería es atravesada), reacciona lentamente con el ánodo de litio o de grafito litiado, evitando el humo, el fuego o la explosión si una batería dañada lleva el metal a contacto directo con el electrolito.
Baterías de ánodo de Zinc acuoso
Las baterías de ánodo Zn acuoso de alto voltaje de nuevo diseño pueden desafiar el dominio actual de Li-ion fueron anunciadas en agosto del 2019.
Una batería recargable de alta tensión de dióxido de manganeso y zinc, que supera la barrera de 2 V en la química del zinc acuoso, es lo que están probando unos investigadores del City College of New York. Con una tensión de 2,45-2,8 V, la batería alcalina MnO2|Zn.
Para romper la barrera de los 2 V en la química del zinc acuoso, diseñaron interfacialmente dos electrolitos acuosos diferentes que proporcionan la capacidad teórica (308mAh/g) de forma reversible durante muchos ciclos.
El voltaje de las actuales baterías alcalinas MnO2|Zn disponibles en el mercado es de alrededor de 1,2-1,3 V, y esto se ha considerado bajo en comparación con el Li-ion, que tiene un voltaje >3 V.
El voltaje ha sido el mayor activo de Li-ion y ha ayudado a alimentar su ascenso en un mundo necesitado de energía portátil.
Desafortunadamente, contiene elementos que son tóxicos y geopolíticamente sensibles, ya que los países asiáticos tienen el monopolio de la minería y la fabricación.
Esto ha puesto a Estados Unidos en una tremenda desventaja y ha perdido su liderazgo en la industria del almacenamiento de energía, cuando en el pasado era un líder mundial. Con Mn y Zn como elementos ampliamente disponibles, y con los EE.UU. siendo poseedores de estos minerales, permite a los EE.UU. competir de nuevo. El costo de fabricación de estas baterías también será bajo, por lo que puede iniciar el crecimiento de la industria de almacenamiento de energía en los EE.UU.
Batería de litio con electrolito acuoso
Anunciada en diciembre de 2019 las baterías acuosas de iones de litio con ánodos de óxido de tungsteno de niobio suponen una alternativa a las tradicionales baterías de litio con electrolito orgánico, por su rendimiento, su naturaleza no inflamable y su bajo coste de fabricación.
Una investigación del Instituto Politécnico Rensselaer ha desarrollado una batería acuosa de iones de litio con ánodos de óxido de tungsteno de niobio. Entre sus características están la simplicidad para sintetizarlas, su facilidad de manejo, su alto rendimiento y su naturaleza no inflamable, lo que las convierte en una alternativa a las baterías tradicionales, especialmente en aplicaciones donde se necesita una alta densidad volumétrica de energía y potencia como es el caso de los vehículos eléctricos.
El desarrollo de la tecnología de las baterías de litio está logrando que estos componentes dispongan cada vez de mayor densidad energética, menor volumen, menor peso, y mayor rendimiento. En el caso de la industria automotriz esto se refleja en que sus últimas generaciones han logrado aumentar significativamente la autonomía y, sobre todo, reducir el precio de fabricación. Pero todas estas ventajas tienen que pagar un peaje, que es la seguridad. El electrolito, el componente que se sitúa entre el ánodo y el cátodo y por el que viajan los iones, es susceptible de inflamarse al producirse un aumento súbito de la temperatura, con el consiguiente riesgo de incendio. Para evitar este problema los sistemas de seguridad son cada vez más robustos, pero a la vez encarecen el coste total y ocupan espacio que podría ser aprovechado para aumentar la capacidad energética.
Se está desarrollando un método para implementar electrolitos acuosos, en lugar de orgánicos, que dan lugar a baterías más seguras y económicas de fabricar. Los electrolitos acuosos no son inflamables y, a diferencia de los electrolitos no acuosos, tampoco son sensibles a la humedad de los procesos de fabricación. Por lo tanto resultan mucho más fáciles de trabajar y mucho menos costosos.
Esquema batería con ánodo de tungsteno niobio y cátodo de óxido de litio y manganeso.
El mayor desafío con este material ha sido mantener el rendimiento. Si se aplica demasiado voltaje al agua, se electroliza, es decir, se descompone en hidrógeno y oxígeno. El problema es que al desgasificarse el electrolito se consume, por lo que, en general, tiene una ventana de voltaje muy limitada. En esta investigación utilizaron un tipo especial de electrolito acuoso conocido como “agua en electrolito de sal” (LiTFSI), cuya probabilidad de electrolisis es mucho menor.
En el caso del cátodo, el equipo de investigadores utilizó óxido de litio y manganeso, y para el ánodo, óxido de tungsteno de niobio, un óxido complejo que nunca antes había sido probado en una batería. Este material, relativamente pesado y denso, cuenta con unas propiedades sobresalientes en términos de capacidad de almacenamiento de energía por unidad de volumen. Gracias al denso empaquetamiento de partículas de óxido de tungsteno de niobio en el electrodo esta capacidad, que depende de su masa, es muy elevada.
La estructura cristalina de este material también tiene canales bien definidos (o túneles) que permiten que los iones de litio se difundan rápidamente, lo que significa que la velocidad de carga es elevada. La combinación de carga rápida y la capacidad de almacenar una gran cantidad de energía por unidad de volumen, no es habitual en las baterías acuosas, asegura Koratkar. La batería resultante cuenta con una alta eficiencia, una capacidad volumétrica de 200 Ah/l mucho más alta que la del grafito (entre 50–110 Ah/l). El efecto de los ciclos de carga y descarga sobre la degradación de la capacidad energética es de aproximadamente un 25% tras 500 ciclos de carga y descarga a tasas 0.5 C – 5 C.
La simplicidad para sintetizarlas, su facilidad de manejo, su alto rendimiento y su naturaleza no inflamable hacen que las baterías acuosas de iones de litio con ánodos de óxido de tungsteno de niobio sean una alternativa a las baterías convencionales, especialmente en aplicaciones donde se desea una alta densidad volumétrica de energía y potencia. Según el equipo de investigadores, lograr ese tipo de rendimiento, con un bajo coste de fabricación y cumpliendo con todas las condiciones de seguridad, tendría implicaciones prácticas inmediatas.
Podría emplearse en aplicaciones como la electrónica portátil, los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía estático, en las que la capacidad de almacenar la mayor cantidad de energía en un volumen limitado es crítica.
