Un nuevo material permite mejorar las pilas y baterías de hidrógeno
La espera ha terminado: "Hemos logrado un verdadero hito"
Investigadores dirigidos por Genki Kobayashi, del RIKEN Cluster for Pioneering Research de Japón, han desarrollado un electrolito sólido para transportar iones hidruro (H-) a temperatura ambiente. Este avance significa que las ventajas de las pilas y baterías de combustible de estado sólido basadas en el hidrógeno están al alcance de la mano práctica, incluidas la mejora de la seguridad, la eficiencia y la densidad energética, esenciales para avanzar hacia una economía energética práctica basada en el hidrógeno.El estudio se ha publicado en la revista científica Advanced Energy Materials.
Esquema de una pila de combustible de estado sólido fabricada con el nuevo material y titanio. El resultado de la reacción de descarga galvanostática mostró que el electrodo de Ti se hidrogenaba completamente a TiH2 para x ≥ 0,2.
RIKEN
Para que el almacenamiento de energía y combustible a base de hidrógeno se generalice, debe ser seguro, muy eficiente y lo más sencillo posible. Las actuales pilas de combustible basadas en hidrógeno que se utilizan en los coches eléctricos funcionan permitiendo que los protones de hidrógeno pasen de un extremo a otro de la pila de combustible a través de una membrana polimérica al generar energía. El movimiento eficiente y a alta velocidad del hidrógeno en estas pilas de combustible requiere agua, lo que significa que la membrana debe estar continuamente hidratada para que no se seque. Esta restricción añade una capa adicional de complejidad y coste al diseño de baterías y pilas de combustible que limita la viabilidad de una economía energética de próxima generación basada en el hidrógeno. Para superar este problema, los científicos se han esforzado por encontrar una forma de conducir iones de hidruro negativo a través de materiales sólidos, sobre todo a temperatura ambiente.
La espera ha terminado. "Hemos logrado un verdadero hito", afirma Kobayashi. "Nuestro resultado es la primera demostración de un electrolito sólido conductor de iones hidruro a temperatura ambiente".
El equipo había estado experimentando con hidruros de lantano (LaH3-δ) por varias razones; el hidrógeno se puede liberar y capturar con relativa facilidad, la conducción de iones hidruro es muy alta, pueden funcionar por debajo de 100 °C y tienen una estructura cristalina. Pero, a temperatura ambiente, el número de hidrógenos unidos al lantano fluctúa entre 2 y 3, lo que imposibilita una conducción eficiente. Este problema se denomina no estequiometría del hidrógeno, y fue el mayor obstáculo superado en el nuevo estudio. Cuando los investigadores sustituyeron parte del lantano por estroncio (Sr) y añadieron sólo una pizca de oxígeno -para una fórmula básica de La1-xSrxH3-x-2yOy-, obtuvieron los resultados que esperaban.
El equipo preparó muestras cristalinas del material mediante un proceso llamado fresado de bolas, seguido de recocido. Estudiaron las muestras a temperatura ambiente y comprobaron que podían conducir iones hidruro a gran velocidad. A continuación, probaron su rendimiento en una pila de combustible de estado sólido fabricada con el nuevo material y titanio, variando las cantidades de estroncio y oxígeno en la fórmula. Con un valor óptimo de al menos 0,2 de estroncio, observaron una conversión completa del 100% del titanio en hidruro de titanio, o TiH2. Esto significa que prácticamente no se desperdiciaron iones de hidruro.
"A corto plazo, nuestros resultados proporcionan directrices de diseño de materiales para electrolitos sólidos conductores de iones hidruro", afirma Kobayashi. "A largo plazo, creemos que éste es un punto de inflexión en el desarrollo de baterías, pilas de combustible y celdas electrolíticas que funcionan utilizando hidrógeno". El siguiente paso será mejorar el rendimiento y crear materiales de electrodos que puedan absorber y liberar hidrógeno de forma reversible. Esto permitiría recargar las pilas, así como almacenar el hidrógeno y liberarlo fácilmente cuando se necesite, lo cual es un requisito para el uso de energía basada en el hidrógeno.
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