Un truco de física de 270 años de antigüedad podría impulsar la tecnología de baterías asequibles

El fenómeno, conocido como efecto Leidenfrost, explica por qué las sartenes de acero inoxidable se vuelven antiadherentes de repente cuando se calientan a altas temperaturas. Pero, ¿cómo podría una observación de hace 270 años tener alguna relación con el diseño de sistemas sostenibles de almacenamiento de energía? En un estudio publicado recientemente en Small, un equipo de investigadores del Instituto Indio de Educación e Investigación Científica (IISER) de Bhopal, el Instituto Indio de Tecnología de Gandhinagar (IITGN), la Universidad de Swansea y la Universidad del Sur de Queensland ha estudiado cómo este inusual efecto físico puede ayudar a crear baterías más estables y duraderas y perfilarse como una alternativa práctica a la tecnología de iones de litio (Li-ion).

A medida que el mundo se orienta hacia las energías renovables, la demanda de mejores baterías es mayor que nunca. "En la actualidad, las baterías de iones de litio lo utilizan todo, desde los teléfonos inteligentes hasta los coches eléctricos", explica Rohit Ranganathan Gaddam. Gaddam es autor principal del estudio y profesor adjunto del IISER de Bhopal, donde dirige el Grupo de Investigación sobre Energía Limpia y se dedica a superar los cuellos de botella de los sistemas actuales de almacenamiento de energía. "Sin embargo, el litio es relativamente raro y caro de extraer, lo que hace necesaria una alternativa más ecológica y rentable".

Hace tiempo que se viene hablando del sodio como posible sustituto del litio. El sodio, un elemento omnipresente en el agua de mar, la sal e incluso la sangre, es barato y fácil de obtener. Por eso, las baterías de iones de sodio son un buen candidato para el almacenamiento de energía a gran escala, sobre todo para las energías renovables. Pero el volumen de los iones de sodio supone un obstáculo importante. Los iones más pesados acaban ahogando y desgastando el cátodo, el terminal positivo de una batería que actúa como su cámara de energía. Para que una batería de sodio funcione bien, el material utilizado en su cátodo debe permitir que los iones de sodio se muevan rápida y repetidamente sin dañar su estructura. Existen muchos materiales prometedores, pero a menudo carecen de velocidad, estabilidad o durabilidad a largo plazo.

"Decidimos construir la infraestructura catódica adecuada, una autopista atómica, para que los iones de sodio pudieran pasar a toda velocidad", añade Subhajit Singha, primer autor y doctorando en el IISER de Bhopal. El equipo utilizó Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇), una mezcla de fosfato y pirofosfato con base de hierro que forma de forma natural una estructura tridimensional estable similar a un túnel. Conociendo los inconvenientes de conductividad y energía de los materiales catódicos puramente basados en hierro, los investigadores experimentaron añadiendo una pequeña fracción de indio a la mezcla.

Se observó que sustituyendo sólo el 1% de los átomos de hierro por indio, aumentaba el espaciado atómico dentro del material potencial del cátodo, sin alteración de su plano fundamental. Esto permitió que los iones de sodio se deslizaran más fácilmente y mejoró la conductividad electrónica del material del cátodo, una característica distintiva de las baterías de alto rendimiento.

Además de retocar la receta del material del cátodo, el equipo también introdujo novedades en su proceso de fabricación. "Aprovechamos los fundamentos del efecto Leidenfrost para construir materiales catódicos que duran más y superan los estándares actualmente en el mercado", explica el Dr. Gaddam. Pulverizaron la mezcla química sobre una superficie metálica lo suficientemente caliente como para desencadenar el efecto Leidenfrost. Cuando las gotas chocaron contra la placa ardiente, sufrieron una evaporación instantánea, se fundieron en partículas porosas y se cocieron hasta convertirse en polvo. Con este método rápido y ecológico se evitan los hornos de alto consumo energético y se obtienen granos esponjosos que absorben el electrolito para que el sodio viaje más suavemente.

Mediciones avanzadas y simulaciones computacionales permitieron comprender mejor la reestructuración a nivel atómico. Los resultados pusieron de relieve cómo el indio reordena sutilmente la estructura atómica, ampliando las vías iónicas, reduciendo las barreras energéticas, mejorando la conductividad y manteniendo intacta la estructura cristalina del material potencial del cátodo durante miles de ciclos.

"El material optimizado del cátodo demostró una alta densidad energética de ~359 Wh kg-1 y una notable durabilidad, con un rendimiento estable a lo largo de 10.000 ciclos de carga y descarga", afirma el Dr. Raghavan Ranganathan, coautor y profesor asociado del Departamento de Ingeniería de Materiales del IITGN. En comparación, la mayoría de las baterías de teléfonos u ordenadores portátiles duran sólo unos cientos de ciclos. Esto hace que el material catódico generado sea ideal para el almacenamiento de energía renovable en sistemas que requieren un rendimiento duradero.

Para la India, que aspira a tener 500 GW de energías renovables en 2030, una versión ampliada y probada industrialmente de las baterías de iones de sodio con el nuevo cátodo podría suponer un almacenamiento asequible en la red para aprovechar la energía solar y eólica sin apagones. "Nuestro estudio demuestra que la modificación estratégica a nivel atómico, combinada con una ruta de síntesis sencilla y escalable, puede desbloquear un rendimiento hasta ahora inalcanzable para los cátodos de las baterías de iones de sodio", afirma Gaddam.

En consonancia con las misiones energéticas nacionales y los Objetivos de Desarrollo Sostenible 7 (energía limpia asequible) y 11 (acción por el clima) de las Naciones Unidas, el estudio es un paso adelante para reducir la dependencia del litio, facilitar cadenas de suministro más justas y permitir el almacenamiento asequible de energía verde. "Esta fusión de conocimientos experimentales y computacionales de distintas instituciones y continentes demuestra que rarezas históricas como el hielo de Leiden pueden dar lugar a centros modernos de innovación sostenible", señaló Ranganathan.