Los investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Oregón han desarrollado un ánodo de batería basado en una nueva aleación nanoestructurada que podría revolucionar la forma en que se diseñan y fabrican los dispositivos de almacenamiento de energía.
La aleación a base de zinc y manganeso abre aún más la puerta a la sustitución de los disolventes comúnmente utilizados en los electrolitos de las pilas por algo mucho más seguro y barato, además de abundante: el agua de mar.
Los hallazgos se publicaron en Nature Communications.
«Las necesidades energéticas del mundo están aumentando, pero el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía electroquímica de próxima generación con alta densidad de energía y larga vida de ciclo sigue siendo un desafío técnico», dijo Zhenxing Feng, un investigador de ingeniería química de la OSU (Oregon State University).
«Las baterías acuosas, que utilizan soluciones conductoras a base de agua como electrolitos, son una alternativa emergente y mucho más segura que las baterías de iones de litio. Pero la densidad energética de los sistemas acuosos ha sido comparativamente baja, y también el agua reaccionará con el litio, lo que ha obstaculizado aún más el uso generalizado de las baterías acuosas», siguió comentando el Sr. Feng.
Una batería almacena energía en forma de energía química y mediante reacciones la convierte en la energía eléctrica necesaria para alimentar vehículos, teléfonos móviles, ordenadores portátiles y muchos otros dispositivos y máquinas. Una batería consta de dos terminales –el ánodo y el cátodo, normalmente de materiales diferentes- así como de un separador y un electrolito, un medio químico que permite el flujo de la carga eléctrica.
En una batería de iones de litio, como su nombre indica, la carga se transporta por medio de los iones de litio a medida que se desplazan por el electrolito desde el ánodo hasta el cátodo durante la descarga, y de nuevo durante la recarga.
«Los electrolitos de las baterías de iones de litio se disuelven comúnmente en disolventes orgánicos, que son inflamables y a menudo se descomponen a altos voltajes de funcionamiento», dijo Feng.
«Por lo tanto, obviamente hay preocupaciones de seguridad, incluyendo el crecimiento de dendritas de litio en la interfaz electrodo-electrolito; eso puede causar un cortocircuito entre los electrodos».
Las dendritas se parecen a pequeños árboles que crecen dentro de una batería de iones de litio y pueden perforar el separador como si fuesen cardones que crecen a través de las grietas de una entrada; el resultado son reacciones químicas no deseadas y a veces inseguras.
Los incidentes de combustión en los que se han visto envueltas las baterías de iones de litio en los últimos años incluyen un incendio en un avión Boeing 787 aparcado en 2013, explosiones en los smartphones Galaxy Note 7 en 2016 e incendios en el Model S de Tesla en 2019.
Electrolitos acuosos: una opción interesante y prometedora
Pues bien, las baterías acuosas son una alternativa prometedora para el almacenamiento seguro y escalable de energía, dijo Feng. Los electrolitos acuosos tienen un costo competitivo, son benignos para el medio ambiente, capaces de cargarse rápidamente y con altas densidades de potencia, y muy tolerantes al mal manejo.
Sin embargo, su uso a gran escala se ha visto obstaculizado por un voltaje de salida limitado y una baja densidad de energía (las baterías con una mayor densidad de energía pueden almacenar mayores cantidades de energía, mientras que las baterías con una mayor densidad de potencia pueden liberar grandes cantidades de energía más rápidamente).
Ánodo de aleación tridimensional para revolucionar las baterías
Pero los investigadores del Estado de Oregón, la Universidad de Florida Central y la Universidad de Houston han diseñado un ánodo compuesto de una «aleación de zinc-M» tridimensional como el ánodo de la batería, donde la M se refiere al manganeso y a otros metales.
«El uso de la aleación con su nanoestructura especial no sólo suprime la formación de dendritas controlando la termodinámica de la reacción de la superficie y la cinética de la reacción, sino que también demuestra una altísima estabilidad a lo largo de miles de ciclos en condiciones electroquímicas severas«, dijo Feng.
«El uso del zinc puede transferir el doble de cargas que el litio, mejorando así la densidad de energía de la batería».
«También probamos nuestra batería acuosa utilizando agua de mar, en lugar de agua deshidratada de alta pureza, como electrolito», añadió. «Nuestro trabajo muestra el potencial comercial para la fabricación a gran escala de estas baterías».
Feng y el estudiante de doctorado Maoyu Wang utilizaron la espectroscopia de absorción de rayos X y las imágenes para rastrear los cambios atómicos y químicos del ánodo en diferentes etapas de operación, lo que confirmó cómo la aleación en tres dimensiones estaba funcionando en la batería.
Figura 1. Batería de agua de mar. Ilustración cortesía de Oregon State University
«Nuestros estudios teóricos y experimentales demostraron que el ánodo de aleación tridimensional tiene una estabilidad interfacial sin precedentes, lograda por un canal de difusión favorable de zinc en la superficie de la aleación», dijo Feng.
«El concepto demostrado en este trabajo de colaboración es probable que traiga un cambio de paradigma en el diseño de ánodos de aleación de alto rendimiento para baterías acuosas y no acuosas, revolucionando la industria de las baterías».
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