Baterías basadas en magnesio
El magnesio también es uno de los metales prometedores para el futuro de las baterías, como reemplazo del litio. De hecho, el magnesio es bastante más abundante en la corteza terrestre (el 12º material más abundante, el 6º metal más abundante) que el litio, además no es tóxico y tiene fantásticas propiedades debido a su electrón adicional de valencia.
Por eso ya han surgido algunas tecnologías para tratar de aprovechar este elemento en futuras batería:
Con base acuosa
El reto del magnesio es que se debe pasivar cuando está en ambientes acuosos porque, como sabes, este metal es muy afín a la humedad. Esto hace que forme una capa de óxido inerte sobre su superficie, lo que haría que dejase de funcionar. Por este motivo, usar magnesio para el ánodo de una batería es todo un reto.
Afortunadamente, se han realizado algunos avances al respecto, como el descubierto por Dennis Leung. Este investigador de la Universidad de Hong Kong pudo construir una batería de electrolito acuoso de magnesio usando agua con sal. De esta forma, ha podido lidiar con la reactividad del magnesio.
Esto abre las puertas a la posibilidad de poder emplear este tipo de baterías para un futuro, eliminando así los problemas del litio. Además, la batería es recargable, tiene una buena duración de ciclos de carga, posee una buena densidad de energía, es segura y también barata.
Volviendo a la investigación de Leung, pudo crear un electrolito supersaturado con base de cloruro de sodio con la sal como soluto en cantidades superiores al disolvente, que es agua en este caso. De esa manera, limita la cantidad de agua o humedad libre que pueda afectar al ánodo de magnesio. Y no solo eso, si se produce oxidación en el magnesio, la absorción de iones de cloruro en la superficie del ánodo reaccionarán con el óxido, volviendo a dejar el metal de magnesio al desnudo.
De hidrógeno de manganeso
También se están desarrollado baterías de hidrógeno de magnesio. Todo gracias a los investigadores de la Universidad de Stanford, que han sido capaces de crear una batería recargable a base de agua en la que el intercambio de electrones entre el agua y una sal de magnesio era posible.
Sin embargo, esos problemas de inestabilidad o reactividad del magnesio de los que he comentado anteriormente hacen que no fuese apto para baterías hasta ahora, ya que cuando reacciona o se oxida, hace que la batería pierda rendimiento con el tiempo e incluso deje de funcionar.
Pero, al igual que el caso anterior, este otro prototipo emplea un sulfato de magnesio acuoso que reacciona, dejando dióxido de magnesio en los electrodos y liberando el exceso de electrones en forma de gas hidrógeno. Si se invierte la polaridad, el dióxido de magnesio se disuelve nuevamente en la base acuosa y repone la sal de sulfato de magnesio, recargando así la batería y liberando más electrones en exceso como gas hidrógeno.
En definitiva, se resuelven los problemas del magnesio y se podrían crear con ello baterías mucho más baratas, limpias, y sencillas. No obstante, por el momento es solo una investigación y se necesita mejorar las capacidades y la tecnología para llevarlo al mercado como un producto.
Baterías de estado sólido
Al igual que existen SSD, también se puede hablar de SSB, es decir, Solid State Battery. Se trata de baterías de estado sólido que tienen ventajas con respecto a las acuosas o basadas en electrolitos líquidos. Estas baterías pueden sufrir fugas que podrían incluso generar una ignición en el caso del litio, pierden capacidad de carga con facilidad, tienden a ser más pesadas, y son propensas a sobrecalentarse. En cambio, las SSB cambiarían todo esto.
En cambio, investigadores de la NASA han estado experimentando con estas baterías de estado sólido desde 2019, para misiones espaciales donde las otras baterías suponen un problema. Estas SSB usan un electrolito sólido, pero no son fáciles de conseguir, por eso no se han comercializado hasta ahora. Por otro lado, también la japonesa Toyota Motor ha estado investigando al respecto para futuros automóviles, generando más de 1000 patentes relacionadas con estas SSBs.
Los resultados de los prototipos han sido unas baterías mucho más ligeras (hasta un 40%) y de mayor capacidad, el triple de densidad de energía almacenada en comparación con las actuales de litio y mucho más seguras. Sin embargo, por el momento, no se van a lanzar al mercado para su producción masiva hasta que no se perfeccionen.
Baterías de base de sodio
El sodio es un metal alcalino del Grupo I y que cuenta con propiedades similares al litio. Sin embargo, presenta ventajas respecto al Li, ya que es más abundante y fácil de extraer de las minas de sal o del agua del mar.
En cuanto a las baterías con base de sodio, podrían traer grandes ventajas respecto a las actuales de litio. Una de las ventajas sería su coste reducido, además de minimizar el impacto del medio ambiente que genera el litio. Es decir, ventajas similares a las de magnesio, pero con sus peculiaridades.
Mientras que el magnesio tenía el problema de su reactividad con la humedad, en el caso del sodio también tenemos algunas barreras que superar, que son:
- El sodio metálico como ánodo forma corrosión superficial inestable y dendritas de sodio que pueden provocar cortocircuitos dentro de las baterías, generando riesgos de incendio.
- Cuanto más rápido se carga y descarga la batería, más rápido y grandes crecen estas dendritas, lo que significa que las tecnologías de carga rápida serían casi imposibles.
Por eso, también se han desarrollado baterías basadas en este elemento, como:
Con ánodo intermetálico de telururo de sodio y antimonio
Tras numerosos intentos fallidos de conseguir baterías de sodio, unos investigadores de la Universidad de Austin, Texas, han podido crear una tecnología capaz de resolver algunos de los problemas. De hecho, ya se ha solicitado la patente y se está desarrollando para que sea viable para soluciones comerciales.
Para solventar los problemas citados anteriormente, estos investigadores han usado un dispositivo compuesto de capas o láminas delgadas de material de sodio enrolladas sobre polvo de telururo de antimonio. El compuesto intermetálico (NST-Na) resuelve el problema de las dendritas cuando se carga rápido.
Por otro lado, el NST-Na se enlaza mejor con el sodio que el propio sodio consigo mismo. Esto significa que este elemento se unirá al ánodo formando una capa uniforme y no a sí mismo, generando esas dendritas.
No obstante, no todo son ventajas en este tipo de baterías, ya que el telurio no es abundante ni tampoco barato…
De sodio y azufre
Otro grupo de investigadores de esa misma universidad tejana, también ha estado desarrollando un proyecto paralelo sobre las baterías con base de sodio. Pero en este caso usando sal y azufre dentro de un solvente inmóvil. El reto era conseguir evitar la disolución del azufre, y lo han conseguido. Y es que el azufre se disuelve en la solución durante la descarga y se mueve entre los electrodos en una dinámica llamada de lanzamiento que da como resultado componentes dañados, pérdida de la capacidad de carga con el paso del tiempo y formación de dendritas.
Existen baterías de sodio-azufre actualmente, pero tienen una vida útil muy corta, además de no ser seguras. Pero estos avances de los investigadores han permitido resolver esto, ya que han descubierto cómo se puede evitar que el azufre se disuelva al diluir la solución de sal concentrada con un solvente inerte que mantiene el azufre en un estado semi-disuelto.
A temperatura ambiente, estas baterías no sufren reacciones con el azufre y mejoran la vida útil de forma bastante considerable. Además, no se necesita emplear materiales costosos y poco abundantes. Por otro lado, serían más fáciles de reciclar y menos tóxicas que las de litio.
No obstante, no todo está hecho, se trata solo de una investigación, y ahora hay que continuar trabajando para que sea viable para aplicaciones comerciales.
Baterías de agua de mar
Muchos también están mirando hacia el agua de mar para crear las futuras baterías. IBM Research, sin ir más lejos, han estado durante mucho tiempo investigando en secreto sobre las propiedades de estas baterías con agua de los océanos y que podrían sustituir a las actuales de litio.
A pesar de esto, IBM sigue manteniendo en secreto su proyecto, y no ha publicado ningún tipo de información sobre cómo lo están haciendo. No obstante, existen otros proyectos paralelos de otras empresas y grupos de investigadores que también están pensando en este tipo de baterías. Por eso, se sabe algo sobre ellas y que estarán basadas, como no, en el sodio, el metal más abundante en el agua marina debido a la cantidad de sal.
Lo único que se conoce de la investigación de IBM son los datos que ellos mismos han filtrado. Y según estos datos, se podrían cargar las baterías de 0% al 80% en menos de 5 min, lo que sería toda una revolución. Además, aseguran que la densidad de potencia sería de 10.000 W/l. Y no solo eso, también serían bastante más baratas, mejorarían la seguridad de las actuales, y eliminaría la necesidad de metales como el níquel, cobalto, y otros metales pesados tan tóxicos.
Desgraciadamente, poco más se conoce de estas baterías, dado el hermetismo que existe por parte de las empresas. Sin embargo, parece que puede ser una tecnología prometedora, dado que empresas como Central Glass, Sidius y Mercedes-Benz Research están también interesadas en ellas.
Baterías de grafeno
Por último, como no, el grafeno también es otro de esos materiales exóticos que se están investigando para usarse en baterías. Como debes de saber, el grafeno no es más que una capa de carbono con un átomo de espesor y con una disposición hexagonal de los átomos.
Es un material barato, abundante, y que se le atribuyen innumerables propiedades y ventajas. El grafeno, tiene propiedades similares a los semiconductores. Sin embargo, este nanomaterial tiene ventajas. Una de ellas es ser 100 veces más fuerte que el acero, otra es que podría tener mayor capacidad de carga. El único inconveniente es su fabricación masiva, aunque ya se han hecho importantes avances al respecto.
La empresa GMG (Graphene Manufacturing Group) es una de las que están en cabeza en cuanto a investigación de estas baterías. La compañía busca una tecnología limpia y barata basada en grafeno. Por eso se asoció con investigadores de la Queensland Australia y Uniquest para el desarrollo de una batería de iones de aluminio y grafeno.
Para producir el grafeno en las cantidades necesarias, se ha usado un proceso de manufactura patentado donde se emplea gas natural para convertirlo en grafeno.
GMG y sus socios, han demostrado la viabilidad de estas baterías, y que pueden tener las mismas propiedades que las de litio actuales o superarlas en algunos casos. Por ejemplo, son más estables a temperaturas altas, pueden tener mayor potencia, se podrían cargar hasta 70 veces más rápidamente, pueden tener una vida útil 3 veces superior, y no necesitan de materiales provenientes de las tierras raras tan costosas. Y no solo esto, serían reciclables en un 90%.
Una vez más, como le ocurre a las tecnologías de baterías anteriores, solo se trata de un prototipo, por lo que no hay producto comercial disponible. Veremos si finalmente alguna de ellas llega para «salvarnos» del litio…
