La investigación relativa a las baterías de vehículos eléctricos está en plena ebullición. Es quizá uno de los sectores tecnológicos más interesantes actualmente y tiene muchos frentes abiertos: desde cómo hacer baterías más baratas hasta cómo conseguir hacerlas más sostenibles o con más autonomía. En este sentido apunta un estudio de la Universidad de Michigan, financiado por Mercedes-Benz, con un sorprendente descubrimiento.
Los investigadores han descubierto que las cenizas de las cáscaras de arroz quemadas, la capa exterior dura de los granos de arroz, contienen una forma de carbono que puede casi duplicar la densidad energética de las baterías actuales de iones de litio o de iones de sodio.
Esta fuente sostenible de carbono "duro", llamado así por su alta dureza mecánica, supera las prestaciones del grafito común en los electrodos de las baterías. El grafito se utiliza en el ánodo de prácticamente todas las baterías actuales, independientemente de la química utilizada en el cátodo.
Al probar las propiedades electroquímicas del carbón duro obtenido a partir de cenizas de cáscara de arroz, comprobaron que supera tanto al carbón duro comercial como al grafito utilizado en la actualidad.
Un gramo de grafito acepta alrededor de 370 mAh. Un gramo de carbón duro comercial acepta suficiente litio para almacenar alrededor de 500 miliamperios-hora (mAh), lo que significa que las baterías de carbón duro tienen una densidad energética aproximadamente un 50% mayor.
Por su parte, el carbón duro obtenido de las cenizas de cáscara de arroz supera a ambos, con una capacidad de almacenamiento de más de 700 mAh por gramo, casi el doble que el grafito que se utiliza actualmente. Esto se traduce directamente en coches eléctricos con mayor autonomía. Se cree que esta mayor capacidad se debe a la estructura nanoporosa del carbón duro aislado.
Huella de carbono muy inferior al grafito convencional
Otro avance significativo tiene que ver con la sostenibilidad y menor huella de carbono. Esta es la primera demostración de carbono duro producido mediante combustión. Anteriormente se pensaba que el carbono duro sólo se podía producir calentando biomasa, como desechos agrícolas, a aproximadamente 1200 °C de temperatura en un entorno sin oxígeno, con nitrógeno o argón.
También es más sostenible que producir grafito a partir de biomasa, que debe calentarse a 2000 °C o más, lo que genera de cinco a diez toneladas de CO2 por cada tonelada de grafito apto para baterías. La quema de cáscaras de arroz tiene un impacto neutro de carbono, pues el CO2 liberado al quemar las cáscaras se compensa con el carbono que la planta de arroz tomó de la atmósfera durante la fotosíntesis.
"El carbono duro se puede producir por combustión en este caso porque al quemar el carbono de la cáscara de arroz, se crea una capa de sílice alrededor del carbono restante y lo hornea como un pastel", explica Richard Laine, profesor de Ciencia e ingeniería de materiales y Ciencia e ingeniería macromolecular de la Universidad de Michigan y autor del estudio.
Hasta ahora, la mayoría de las cáscaras de arroz terminan en la basura. Sin embargo, al convertir los desechos agrícolas en un producto valioso, el carbón duro de cenizas de cáscara de arroz puede ayudar a satisfacer la creciente demanda de baterías para vehículos eléctricos, al tiempo que reduce tanto los costes como las emisiones de carbono.
Convertir en electrodos lo que hasta ahora iba a la basura
También permitiría reducir la dependencia de terceros países. El grafito utilizado actualmente se consigue principalmente de China y México. Sin embargo, el arroz es uno de los cultivos más populares del mundo. El arroz es el alimento más consumido en nuestro planeta -es la base nutricional de Asia, el continente más poblado de todo el planeta con más de 4.463 millones de habitantes-.
En España se produjeron 354.000 toneladas de arroz en 2022, según datos del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación. Una drástica reducción en comparación con las 624.400 toneladas del año anterior. La producción total en todos los países de la Unión Europea fue de aproximadamente 1,23 millones de toneladas. China e India son los dos mayores productores de arroz del mundo, con alrededor del 54% de la producción mundial.
El potencial económico y medioambiental de este descubrimiento es enorme. Además, el uso de las cenizas podría extenderse a la obtención de sílice de alta pureza para aplicaciones en semiconductores y paneles solares, algo que los mismos investigadores descubrieron en un estudio anterior.
Ahora el equipo de investigación busca socios para comercializar este avance. Este trabajo de la Universidad de Michigan ha sido financiado principalmente por la Fundación Nacional de Ciencias y el departamento de I+D de Mercedes-Benz North America. El proyecto también ha contado con la colaboración del Instituto Tecnológico de Karlsruhe en Alemania.