El giro que ha dado en los últimos años el sector de las baterías ha venido propiciado, sobre todo, por la electrificación del automóvil y la creciente necesidad de sistemas de almacenamiento de energía renovable. Hoy en día, existe una demanda que no deja de aumentar para obtener mejores baterías, con mayor capacidad, más sostenibles y fiables y, sobre todo, con menores costes de fabricación. Además, la amplia variedad de aplicaciones demuestra que las habituales baterías de iones de litio no son siempre la solución más adecuada.
Si bien un gran porcentaje de la industria está firmemente decidida a seguir desarrollando tecnología e infraestructura de baterías de iones de litio para responder a esta demanda, cada vez son más los programas de I+D dedicados a buscar soluciones diferentes. Gran parte de la atención se centra aquí en las químicas de baterías alternativas: las baterías LFP, de litio ferrofosfato, junto con los ánodos de metal de litio o de silicio y los electrolitos sólidos son las que más atención reciben.
Pero hay investigaciones que han preferido encaminarse por otros derroteros, aprovechando las propiedades de materiales y productos diferentes como el sodio o los fluoruros o apostanto por soluciones tan originales como las desarrolladas a partir de alimentos del Instituto Italiano de Tecnología (IIT); las de agua, del Laboratorio Nacional Argonne; las de aire de la Universidad de Oldenburg, o las que parten de caparazones de cangrejo de la Universidad de Maryland.
Baterías hechas a partir de alimentos
Uno de los avances más interesantes en el campo de la tecnología de baterías alternativas llega desde el Instituto Italiano de Tecnología (IIT), que ha estado desarrollando baterías fabricadas a partir de alimentos. Inspirada en las reacciones bioquímicas que ocurren naturalmente dentro de los seres humanos, la batería de IIT está compuesta por varios materiales estándar y comestibles.
En concreto, los investigadores diseñaron una batería que utiliza riboflavina (vitamina B2) como ánodo y quercetina (un complemento alimenticio) como cátodo. Junto a estos, la batería tiene un electrolito a base de agua encapsulado en cera de abejas, un separador hecho de alga nori y contactos hechos de oro de calidad alimentaria.
Los investigadores describen esta batería en un artículo titulado "Una batería recargable comestible". La pila resultante proporcionó un voltaje nominal de 0,65 V y una corriente de salida continua de 48 uA durante 12 minutos. Alternativamente, en una configuración con un LED, los investigadores demostraron que su batería también podía durar más de una hora mientras proporcionaba microamperios a un LED de baja potencia.
Según los investigadores, las baterías comestibles desarrolladas pueden tener aplicaciones importantes en varios campos donde las pilas tradicionales no son utilizables, como el diagnóstico y tratamiento de enfermedades del tracto gastrointestinal, así como en el control de alimentos.
Baterías a base de agua
El equipo de investigadores de la Universidad Texas A&M publicó recientemente un artículo en la revista Nature en el que hablaba de sus descubrimientos en las baterías a base de agua. En el estudio, los investigadores intentaron comprender mejor el rendimiento de los polímeros radicales no conjugados activos redox para su uso en baterías acuosas. En este tipo de baterías, el cátodo y el ánodo están hechos de material polimérico, mientras que el electrolito es una solución acuosa, que es esencialmente agua mezclada con sales orgánicas.
En el estudio, los investigadores mezclaron el agua y electrolitos con diferentes tipos de sales orgánicas para comprender su impacto en el rendimiento del electrolito y de la batería. Lo que el equipo descubrió fue que, según las sales utilizadas, la capacidad de la batería puede variar significativamente hasta en un 1.000%.
La experiencia les ha permitido obtener información sobre el funcionamiento interno de las baterías a base de agua y esperan poder utilizarla para diseñar baterías mejores con mayor rendimiento en el futuro.
Por su parte, los científicos de General Electric y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley están desarrollando una batería de flujo a base de agua, capaz de ir más allá del almacenamiento de energía estacionario tradicional. Las químicas que los científicos de GE están desarrollando permitirán una batería de flujo que obtiene su energía de una nueva reacción electroquímica que reside de forma segura en un baño de agua.
Baterías de aire
Este tipo de baterías utiliza oxígeno como uno de sus electrodos para generar electricidad. Al igual que las que se emplean hoy en día de manera habitual, el ánodo está hecho de litio, mientras que el cátodo es una capa porosa de carbono que permite el paso del oxígeno del aire hacia el interior de la batería. La reacción química entre el oxígeno y el litio es la que genera la electricidad.
Sus ventajas principales son la alta densidad energética que ofrecen, pudiendo almacenar mucha más energía en un espacio relativamente pequeño. Esto las hace atractivas para su uso en vehículos eléctricos. Entre los desafíos técnicos que enfrentan para convertirse en un producto viable comercialmente está la estabilidad y la degradación.
Los investigadores de la Universidad de Oldenburg están experimentando con estas baterías con el objetivo de aumentar su estabilidad. El equipo del proyecto pretende diseñar una membrana que separe el electrodo positivo del negativo, permitiendo así utilizar diferentes electrolitos en cada lado.
Baterías de caparazones de crustáceos
La escasez de litio sobre la corteza terrestre ha llevado a algunos investigadores a centrar su atención en uno de sus primos químicos: el sodio. Este material es el sexto elemento más abundante en la tierra, es ilimitado y sostenible ya que se cosecha, no se extrae. Además, las baterías de iones de sodio ofrecen algunas ventajas cruciales para fabricantes y propietarios de vehículos eléctricos: la sostenibilidad de la obtención de las materias primas, la asequibilidad y la mayor seguridad. Sin embargo, tienen un inconveniente a tener en cuenta: su menor densidad de energía, aunque es probable que esta característica mejore en los próximos años.
Aunque químicamente similares al litio, los iones de sodio son más grandes y, por lo tanto, incompatibles con el ánodo de una batería de iones de litio, que generalmente está hecho de grafito.
Para evitar este inconveniente, el equipo liderado por Yun Chen, de la Shandong Academy of Medical Sciences creó una batería de iones de zinc biodegradable utilizando la quitina de los caparazones de los cangrejos. Estos desechos pueden convertirse alternativamente en carbono duro, un material susceptible de utilizarse como ánodo para las baterías de iones de sodio.
Los ánodos se probaron en un prototipo de batería, obteniendo un resultado más que esperanzador. Ambos compuestos mostraron buenas capacidades energéticas, además de ser capaces de soportar hasta 200 ciclos de carga y descarga.
