Baterías de fundido-aire, nuevo hito en capacidad de almacenamiento

Científicos de la Universidad de George Washington dirigidos por el Profesor Stuart Licht han presentado los principios de funcionamiento de una nueva clase de baterías recargables, las baterías de fundido-aire, que se colocan entre las tecnologías con mayor capacidad de almacenaje de energía.

En un artículo recientemente publicado en la revista científica Energy & Environmental Science, el equipo de Licht enseña tres ejemplos de la química de transferencia de electrones de la nueva batería. Se trata de baterías de aire y un fundido de carbonato con hierro, carbono o boruro de vanadio, con capacidades de 10.000, 19.000 y 27.000 Wh/L respectivamente. Un gran aumento densidad energética en comparación con los 6.200 Wh/L de una batería de litio-aire, o los menos de 1.000 de una batería de ion litio.

En 2008 ya se presentó una batería con ánodo de boruro de vanadio estabilizada usando zirconia. El boruro de vanadio es capaz de liberar hasta 11 electrones en cada reacción química a temperatura ambiente usando un electrolito acuoso. La gran cantidad de electrones implicados en la reacción redox del boruro de vanadio dispara la densidad energética de estos acumuladores hasta 10 veces por encima de las baterías de ion litio, en las que solo se transfiere un electrón, lo que limita mucho la densidad energética.

Una batería de fundido-aire con ánodo de boruro de vanadio llegaría incluso a superar la densidad energética de la gasolina. El reto era conseguir reinsertar los 11 electrones en los productos formados tras la descarga de la batería, es decir, la recarga.

Las baterías de fundido-aire comparten con las conocidas baterías ZEBRA de sodio fundido que el electrolito es un sólido a temperatura ambiente que requiere pasar a estado liquido para su funcionamiento. Para ello las baterías alcanzan temperaturas elevadas, que pueden llegar a los 700ºC en algunos casos o quedarse en los 245ºC como en el caso de las baterías ZEBRA de sal de sodio.

Las altas temperaturas requieren mayores medidas de seguridad y materiales apropiados para el resto de componentes. Pero a diferencia de las baterías de fundido recargables anteriores, las nuevas baterías no sufren el lastre del peso del cátodo. Como en el resto de baterías metal-aire, estas baterías recogen el oxigeno directamente del aire dando lugar a una batería de gran densidad energética.

El hierro ha sido muy estudiado para su uso en baterías por su disponibilidad y su capacidad de transferir 3 electrones en cada proceso redox, pero las baterías no mantenían sus propiedades con el uso. En 2010 el equipo de Licht utilizo carbonato de litio (Li₂CO₃) fundido, que sorprendentemente disolvía muy bien el óxido de hierro y permitía su reducción a hierro metálico liberando oxigeno.

Basándose en los conocimientos de la pila de combustible de carbonato fundido y aprovechando la solubilidad del óxido de hierro en el carbonato en estado liquido, estudiaron su aplicación en baterías recargables de (carbonato) fundido-aire. Durante la carga de la batería de fundido-aire el óxido de hierro es transformado a hierro metálico y durante la descarga el hierro se vuelve a oxidar a óxido de hierro.

Para la demostración usaron carbonato de litio que se funde a 723ºC por tener una buena capacidad de disolver el hierro, pero el carbonato fundido dispone de muchas opciones para estabilizarse incluyendo mezclas alcalinas con puntos de fusión de tan solo 400ºC. Conocer mejor estas composiciones para el electrolito podría mejorar la eficiencia y la funcionalidad de las pilas.

Además de con hierro el grupo de Licht probó también con carbono y boruro de vanadio, demostrando que el electrolito de carbonato es compatible con una gran variedad de electrodos de gran capacidad. Las rudimentarias baterías fabricadas para probar el concepto ofrecieron voltajes rondando la unidad, de 0,9 V a 1,2 V dependiendo del ánodo utilizado, y una eficiencia Coulombica entre el 75 y el 85%.

Por otro lado los conocimientos en este tipo de electroquímica son aun escasos. Por ejemplo, no hay estudios sobre como recargar los fundidos de óxido de vanadio y de óxido de boro producidos durante la descarga. Será necesario estudiar la composición y la morfología del electrolito, y luego habría que determinar su duración y su rendimiento.

No es una tecnología que vaya a llegar al mercado en breve, y probablemente llegue a sistemas de almacenaje de energía para la red eléctrica antes de ponerse sobre ruedas. Pero como con cada nuevo avance en baterías se demuestra que los vehículos eléctricos aun tienen mucho potencial y que la apuesta por la movilidad eléctrica es una apuesta segura.

Fuente | RSC