Las baterías de magnesio capitalizan todas las ventajas de este mineral sobre el litio. Es considerablemente más abundante, eliminando el hándicap que supone para el suministro y reduciendo los costes. El precio del magnesio ronda los 5.000 dólares por tonelada, aproximadamente la mitad del litio. Además, presentan una mayor densidad de energía y de potencia, incluso a temperatura ambiente. Por último, pero no menos importante, no propician la formación de dendritas ni experimentan fallos en su estructura interna lo que da lugar a baterías más seguras al reducir los riesgos de explosiones e incendios.
No obstante, el desarrollo de este tipo de baterías se ha visto obstaculizado por los materiales empleados tanto en el cátodo como en el electrolito. La inclusión de cloruro en el electrolito contribuye a un rendimiento lento, lo que impide que estas baterías sean competitivas en el ámbito comercial ya que no pueden almacenar y liberar grandes cantidades de energía de manera eficiente.
La nueva batería de la Universidad de Hong Kong promete un cambio radical
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Dennis YC Leung, del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Hong Kong (HKU, ha logrado un gran avance en la tecnología de baterías al desarrollar un ion de magnesio (Mg-ion) de estado casi sólido de alto rendimiento. Este diseño innovador ofrece una alternativa sostenible, segura y con una alta densidad energética a las baterías de iones de litio convencionales, eliminando las limitaciones de la escasez de materiales y los problemas de seguridad.
Science Advances publica un artículo titulado "Baterías de iones de magnesio de próxima generación: el enfoque de estado cuasi sólido para el almacenamiento de iones metálicos multivalentes", que explica esta innovadora batería de iones de magnesio. Tiene el potencial de transformar la industria, indica el profesor Leung: "Es un avance revolucionario".
En los últimos años, las baterías de iones de magnesio han empezado a considerarse como una posible solución a las limitaciones de las baterías de iones de litio. Sin embargo, su proceso de desarrollo se enfrenta a diversos desafíos. El más importante, la superación de su estrecha ventana electroquímica en un sistema basado en agua, así como como la baja conductividad iónica en sistemas no acuosos.
Para superar este problema, el equipo del profesor Leung diseñó una batería de iones de magnesio basada en agua y sal con un voltaje de funcionamiento superior a 2 V. Se trata de un voltaje inferior al que se logra con los sistemas no acuosos. "Los iones de hidrógeno (protones), son más pequeños y ligeros que los iones metálicos. Dada su dimensión, los protones pueden penetrar fácilmente la estructura del cátodo de la batería. Sin embargo, esto genera un problema, ya que los protones y los iones de magnesio compiten por el espacio, lo que restringe significativamente la cantidad de energía que la batería puede almacenar y su duración", explica Sarah Leong, estudiante de doctorado en el equipo del profesor Leung.
El resultado es la creación de una batería de iones de magnesio en estado cuasi sólido (QSMB) que incorpora un electrolito mejorado con polímeros que permite gestionar de manera efectiva la competencia entre protones e iones metálicos. Con un voltaje de 2,4 V alcanza una densidad de energía de 264 Wh/kg, superando el rendimiento de todas las baterías de iones de magnesio que se han creado hasta ahora. “La batería fusiona lo mejor de ambos mundos, proporcionando el elevado voltaje característico de los sistemas no acuosos, al mismo tiempo que garantiza su seguridad y la rentabilidad inherente. Este avance representa un gran paso adelante en el desarrollo de baterías de iones de magnesio de alto rendimiento", asegura Leung.
Pruebas definitivas y aplicaciones reales
Para someter al QSMB a la prueba definitiva, el equipo de investigación llevó a cabo ensayos de carga y descarga muy exhaustivos, con unos resultados sorprendentes. Incluso en condiciones extremas de temperaturas bajo cero (-22 °C), el QSMB conservó el 90% de su capacidad después de 900 ciclos. La batería, además, demostró no ser inflamable y resistir a presiones superiores a 40 atmósferas.
"La estrategia avanzada de desarrollo de electrolitos presentada posee un potencial que va más allá de las baterías de iones de magnesio, abarcando también otras baterías de iones metálicos multivalentes, como las de iones de zinc y aluminio. Este estudio allanará el camino para la próxima generación de soluciones de almacenamiento de energía que sean eficientes y respetuosas con el medio ambiente”, afirma Wending Pan, profesor asistente de investigación en el equipo del profesor Leung.