Un nuevo electrolito para baterías más ecológicas y seguras
Un nuevo material mejora el rendimiento de las baterías de sodio de estado sólido, una alternativa menos peligrosa y más duradera al litio
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El futuro de las tecnologías de baterías está en el sodio. Más sostenible que el litio -que actualmente alimenta la mayoría de nuestros dispositivos y vehículos-, el sodio también es abundante en la superficie de la Tierra. El único problema es que sus iones no se mueven con facilidad en el electrolito líquido de las baterías convencionales, por lo que es menos eficiente que el litio. Por ello, la solución pasa por el desarrollo de un electrolito sólido. Un equipo científico de la Universidad de Ginebra (UNIGE) ha conseguido superar este reto modificando la estructura cristalina de un material compuesto por carbono, boro e hidrógeno (carbohidrato). El grupo de investigación también definió la presión ideal que debe aplicarse a la pila para que funcione eficazmente. Estos resultados pueden leerse en las revistas ACS Applied Materials & Interfaces y Advanced Materials Interfaces.
El electrolito sólido desarrollado por el equipo de la UNIGE permite que los iones se muevan con eficacia dentro de las baterías de sodio.
Xavier Ravinet / Olivier Gaumer – UNIGE
Introducidas en el mercado a principios de la década de 1990, las baterías de iones de litio (o baterías "li-ion") alimentan ahora la mayoría de nuestros dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos. Sin embargo, tienen dos grandes deficiencias. El electrolito líquido que contienen, que permite que los iones positivos fluyan entre los dos electrodos de la batería, es altamente inflamable. Si tiene fugas, puede reaccionar violentamente con el oxígeno, lo que supone un gran peligro para los usuarios. El suministro de litio también es problemático: distribuido de forma desigual por todo el mundo, está en el centro de importantes cuestiones geopolíticas, del mismo modo que el petróleo.
Una alternativa es la pila de sodio. Este elemento químico es abundante en toda la tierra y en el mar y es más barato que el litio. También es más fácil de reciclar. Sin embargo, su uso está aún poco desarrollado. "La producción de este tipo de baterías implica una tecnología diferente a la utilizada para las basadas en el litio. La industria todavía es reacia a embarcarse en esta tecnología menos conocida", explica Fabrizio Murgia, investigador del laboratorio de cristalografía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE.
El material más eficaz en la actualidad
Como el sodio es más pesado que el litio, sus iones también se mueven con menos facilidad en el electrolito líquido. La solución es diseñar un electrolito sólido que además no sea inflamable. Sin embargo, los electrolitos de este tipo desarrollados hasta ahora, compuestos por hidridoboratos (boro e hidrógeno), no han podido alcanzar el rendimiento de las baterías de litio. Dos estudios recientes realizados por el laboratorio de cristalografía de la UNIGE, dirigido por el profesor Radovan Cerny, han logrado resolver este problema.
El primero, publicado en ACS Applied Materials & Interfaces, condujo al desarrollo de un material eficaz: el carbohidridoborato de sodio (NaCB11H12). "Originalmente, este material que se utiliza en medicina nuclear no es conductor", explica Radovan Cerny. "Modificando la estructura de sus cristales, y más concretamente la disposición espacial de los átomos, hemos conseguido que sea conductor, lo que lo convierte en el medio más eficaz para transportar iones de sodio actualmente disponible". Para lograr este resultado, el equipo de investigación sometió el compuesto a fuertes choques, generando altas temperaturas, dentro de un molino de bolas. Se trata de un método energéticamente eficiente que se utiliza mucho en la industria del cemento.
"Fácil" de producir
El segundo proyecto de investigación, publicado en Advanced Materials Interfaces, consistió en poner este material en situación. Para que una batería funcione, el electrolito, ya sea líquido o sólido, debe estar en íntimo contacto con los electrodos positivo y negativo de la batería. Por lo tanto, debe estar contenido firmemente dentro de la pila. "Para conseguirlo, hay que aplicar presión mediante tornillos o muelles. Buscamos la "fuerza" ideal para ejercer sobre nuestro electrolito sólido", explica Matteo Brighi, antiguo becario postdoctoral en el laboratorio de cristalografía. Se demostró que debía ser de unas 400 atmósferas, equivalente a la presión bajo el agua a 4.000 metros de profundidad, lo que se puede conseguir muy fácilmente con unas cuantas vueltas de tornillo".
Estos descubrimientos allanan el camino para facilitar la producción de baterías de sodio, especialmente en la industria del automóvil. "Debido al peso ligeramente superior de estas baterías, podrían utilizarse principalmente para alimentar automóviles. También hay que evaluar la rentabilidad de su fabricación, pero ahora es importante que la industria se dé cuenta de que el material que hemos descubierto es realmente interesante", concluye Fabrizio Murgia.
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