Baterías sostenibles para el futuro
Los grupos de investigación del ISTA se esfuerzan por hacer más ecológico el ahorro de energía
Las pilas son indispensables en los esfuerzos mundiales por reducir el uso de combustibles fósiles. Sin embargo, siguen planteando problemas: su producción requiere mucha energía, los materiales utilizados son escasos y las pilas son difíciles de reciclar. Por eso, varios grupos de investigación del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) trabajan en baterías nuevas, más ecológicas y eficientes.
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Desde los teléfonos móviles a los ordenadores portátiles, pasando por los vehículos eléctricos, las baterías de iones de litio (Li-ion) son esenciales en la vida cotidiana de muchos. Sin embargo, lo que parece una bendición, causa numerosos problemas: Los metales utilizados en las pilas -principalmente cobalto y litio- sólo pueden obtenerse en unos pocos lugares. Como consecuencia, se destruyen ecosistemas, la gente trabaja en condiciones catastróficas y la industria depende de una cadena de suministro frágil, donde un corte repentino podría tener consecuencias drásticas.
Grupos de investigación de los campos de la química y la física del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) intentan resolver estos problemas. Todos sus proyectos tienen el mismo objetivo: encontrar nuevos materiales para hacer las baterías más sostenibles.
Reciclaje a través de la naturaleza viva
2021 fue el primer año en que subió el coste de las baterías de iones de litio. "La razón es la escasez de cobalto y litio, combinada con una demanda desorbitada, que son esenciales para las baterías de iones de litio en su forma actual", explica Stefan Freunberger, profesor adjunto de ISTA. La buena noticia es que se puede sustituir el cobalto, justo lo que pretende hacer Freunberger. Su grupo de investigación se centra en fabricar baterías tan eficaces como las de iones de litio, pero sólo a partir de elementos muy abundantes. En concreto, utilizan materiales orgánicos compuestos únicamente de elementos como carbono, hidrógeno y oxígeno, que proceden -como su nombre indica- de fuentes orgánicas. El grupo de investigación también está estudiando el uso directo de elementos inorgánicos como el azufre.
Además, a diferencia de los basados en el cobalto, estos materiales tienen el potencial de ser reciclados completamente por la naturaleza viva y la energía total para la producción de baterías puede reducirse. "Normalmente, la fabricación de baterías de iones de litio consume mucha energía y tiene una gran huella de CO2. Utilizando los materiales adecuados, se pueden reducir estos valores en un orden de magnitud", afirma Freunberger. "Si todo va bien, tendremos baterías funcionales con elementos orgánicos dentro de muy pocos años. Aún no estamos preparados para la comercialización, pero nuestros resultados son prometedores", concluye Freunberger. Los investigadores cuentan en su ambicioso proyecto con el apoyo de una subvención ERC Proof of Concept, que ayuda a evaluar el potencial comercial de los resultados de la investigación.
Magnesio: Un rayo de esperanza
Uno de los materiales que podría extraerse de forma respetuosa con el medio ambiente es el magnesio. Además, es uno de los diez elementos más comunes de la corteza terrestre. Este metal ligero de color plateado brillante es el centro de atención de "MAGNIFICO". Investigadores del Instituto Austriaco de Tecnología (AIT) y del ISTA unen sus fuerzas en este proyecto financiado por la Agencia Austriaca de Fomento de la Investigación (FFG). Juntos pretenden utilizar magnesio para el ánodo de la batería en lugar de litio. Sin embargo, aunque el magnesio suele tener las propiedades electroquímicas adecuadas, los ánodos de magnesio son incompatibles con la mayoría de los electrolitos, el medio que permite que fluya la corriente dentro de la batería. En concreto, el electrolito se descompone en presencia de magnesio, lo que restringe la conductividad eléctrica. Para superar este problema crítico, el equipo del proyecto trabaja en la creación de un escudo para el ánodo que impida la descomposición del electrolito. Por su parte, en este ambicioso proyecto, la profesora adjunta de la ISTA Bingqing Cheng y su grupo de investigación aportan cálculos computacionales y aprendizaje automático para comprender y predecir mejor las propiedades de los materiales.
Baterías industriales reimaginadas
Aunque las baterías de iones de litio están instaladas principalmente en los innumerables aparatos eléctricos de nuestra vida cotidiana, el grupo de investigación de la profesora de Verbund María Ibáñez en el ISTA está pensando a mayor escala. "Las empresas industriales son las que más energía demandan", explica Mario Palacios Corella, investigador postdoctoral del grupo de Ibáñez. "Nuestro objetivo es alimentarlas con una nueva tecnología de baterías de flujo redox más sostenible".
Las baterías de flujo redox convencionales contienen una membrana selectiva de iones conocida como Nafion. Esta sustancia química tan duradera no sólo es cara, sino que además tiene graves repercusiones negativas sobre el medio ambiente. Las nuevas baterías en las que trabajan los investigadores de Klosterneuburg en el proyecto "MeBattery", financiado por la UE, no necesitan en absoluto esta membrana separadora. Para ello, el grupo está experimentando con diversas sustancias químicas y su capacidad para mezclarse y formar materiales electroactivos.
"En las baterías de flujo redox, las especies químicas susceptibles de ganar o perder electrones se disuelven en electrolitos y se almacenan en dos depósitos diferentes", prosigue Corella. Cuando se necesita energía, los electrolitos se bombean a una cámara de reacción, donde ambos electrolitos están separados por una membrana que permite el flujo de iones pero no de las especies químicas disueltas. La reacción electroquímica espontánea que tiene lugar a ambos lados de la membrana da lugar al flujo de electrones y, por tanto, a la generación de corriente. "Aprovechando las propiedades físicas de los electrolitos y jugando con su miscibilidad, podemos deshacernos de la membrana. Es un gran avance", añade el joven químico.
Desde elementos abundantes como sustitutos de metales raros hasta materiales totalmente nuevos: con sus enfoques innovadores, los científicos del ISTA trabajan en los cimientos de sistemas energéticos más ecológicos y sostenibles.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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