Superar las barreras del almacenamiento de hidrógeno con una pila de hidrógeno de baja temperatura
Los científicos desarrollan un electrolito sólido con el que la pila almacena y libera hidrógeno a temperaturas inferiores a 100 °C
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Investigadores japoneses han desarrollado una pila de hidrógeno que funciona a sólo 90 °C, superando los límites de alta temperatura y baja capacidad de los métodos anteriores. El dispositivo funciona moviendo iones de hidruro a través de un electrolito sólido, lo que permite al hidruro de magnesio, que actúa como ánodo, almacenar y liberar hidrógeno repetidamente a plena capacidad. Esta pila ofrece una forma práctica de almacenar combustible de hidrógeno, allanando el camino para los vehículos impulsados por hidrógeno y los sistemas de energía limpia.
Uno de los retos más acuciantes a los que se enfrenta el uso del hidrógeno es su almacenamiento, que suele requerir temperaturas extremadamente bajas (-252,8 °C) y altas presiones (de 350 a 700 bares). En lugar de almacenar el hidrógeno como gas o líquido, un planteamiento más eficaz es almacenarlo en materiales sólidos como el hidruro de magnesio (MgH2), que tiene una gran capacidad teórica de almacenamiento. Este material puede integrarse en un sistema similar al de las baterías en el que, en lugar de sólo electrones en movimiento, el propio hidrógeno se almacena y se libera durante la carga y la descarga.
Hasta hace poco, este enfoque estaba limitado por la necesidad de temperaturas de funcionamiento elevadas, superiores a 300 °C, la escasa reversibilidad de la absorción y desorción de hidrógeno y reacciones secundarias no deseadas que reducían el rendimiento. En un avance significativo que puede abrir la puerta a aplicaciones prácticas, investigadores del Instituto de Ciencias de Tokio (Science Tokyo), en Japón, han desarrollado una pila de hidrógeno que puede funcionar a temperaturas mucho más bajas, en torno a los 90 °C. El estudio, publicado en la revista Science el 18 de septiembre de 2025, fue realizado por un equipo de investigación dirigido por el Dr. Takashi Hirose, Científico Investigador, el Profesor Adjunto Naoki Matsui y el Profesor del Instituto Ryoji Kanno, en el Centro de Investigación de Baterías de Estado Sólido de Science Tokyo.
"Demostramos el funcionamiento de una pila de Mg-H2 como dispositivo seguro y eficaz de almacenamiento de energía de hidrógeno, consiguiendo una alta capacidad, baja temperatura y absorción y liberación reversibles de gas hidrógeno", afirma Matsui.
La novedad de esta pila reside en su electrolito sólido, Ba0,5Ca0,35Na0,15H1,85, que puede transportar iones de hidrógeno, concretamente iones hidruro (H-), de forma eficiente. Este material tiene una estructura cristalina de tipo anti-α-AgI, bien conocida por su conductividad superiónica. En esta estructura, el bario, el calcio y el sodio ocupan posiciones centradas en el cuerpo, mientras que los H- se mueven por sitios tetraédricos y octaédricos con caras compartidas, lo que les permite migrar libremente. Las pruebas demostraron que el material tiene una elevada conductividad iónica a temperatura ambiente (2,1 × 10-5 S cm-1) y estabilidad electroquímica, lo que hace que el sistema sea eficaz para el almacenamiento y la liberación de hidrógeno a largo plazo.
El diseño de la pila utiliza MgH2 como ánodo e hidrógeno (H2) gaseoso como cátodo. Durante la carga, el MgH2 libera H-, que migran a través del electrolito Ba0,5Ca0,35Na0,15H1,85 hasta el electrodo de H2, donde se oxidan para liberar gas H2. Durante la descarga, ocurre lo contrario: El gas H2 del cátodo se reduce a H-, que se desplaza por el electrolito hasta el ánodo y reacciona con el Mg para formar MgH2.
Este proceso permite a la célula almacenar y liberar H2 cuando es necesario, todo ello a temperaturas manejables inferiores a 100 °C. Con esta pila, los investigadores lograron alcanzar toda la capacidad teórica de almacenamiento del MgH2, unos 2.030 mAh g-1, equivalentes a un 7,6% en peso de H2, en ciclos repetidos.
Los métodos tradicionales de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido se han enfrentado a importantes limitaciones. La absorción y la desorción por calor requerían temperaturas de funcionamiento muy elevadas, entre 300 y 400 °C, para liberar o capturar hidrógeno, lo que hacía que el proceso consumiera mucha energía y fuera poco práctico para el uso cotidiano. Un enfoque alternativo que utilizaba el almacenamiento electroquímico con electrolitos líquidos a temperaturas más bajas adolecía de un deficiente transporte de iones de hidrógeno, lo que significaba que los materiales no podían alcanzar ni de lejos sus capacidades teóricas de almacenamiento. En consecuencia, ambos enfoques se quedaron cortos a la hora de proporcionar una solución eficaz, reversible y de baja temperatura para el almacenamiento de hidrógeno.
"Estas propiedades de nuestra pila de almacenamiento de hidrógeno eran hasta ahora inalcanzables mediante métodos térmicos convencionales o electrolitos líquidos, lo que ofrece una base para sistemas de almacenamiento de hidrógeno eficientes y adecuados para su uso como vectores energéticos", explica Hirose.
Una batería de este tipo podría ser la clave de un futuro impulsado por el hidrógeno, que permitiría crear vehículos impulsados por hidrógeno e industrias libres de carbono".
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