60.000 ciclos y carga en 3 minutos: la batería que quiere jubilar al litio
Una nueva tecnología de baterías abre una vía diferente frente a las baterías convencionales; el sistema utiliza materiales abundantes y un diseño molecular pensado para mejorar su estabilidad; sus primeros resultados en laboratorio apuntan a una vida útil extraordinariamente larga y a aplicaciones especialmente interesantes para las energías renovables.
La búsqueda de nuevas tecnologías de almacenamiento energético acaba de dejar otro resultado especialmente llamativo. Un equipo de investigadores de la Universidad de Flinders, en Australia, ha desarrollado una batería acuosa de zinc-yodo capaz de superar los 60.000 ciclos de carga y descarga, con una degradación mínima y, en una de las configuraciones probadas, un tiempo de carga de apenas tres minutos.
El resultado es especialmente interesante porque no estamos ante una simple mejora incremental de las baterías actuales. El sistema utiliza un electrolito basado en agua y una estructura molecular derivada de la ciclodextrina para controlar el comportamiento del yodo, uno de los principales problemas que hasta ahora limitaban la duración de este tipo de baterías. Eso abre una vía diferente para almacenar electricidad procedente de fuentes renovables como la solar y la eólica.
La tecnología todavía se encuentra en una fase experimental y las cifras se han obtenido en celdas de laboratorio, por lo que queda bastante camino antes de verla convertida en grandes instalaciones comerciales. Pero los resultados son lo suficientemente llamativos como para colocar a las baterías de zinc-yodo entre las alternativas que merece la pena seguir de cerca frente a las actuales baterías de litio.
Más de 60.000 ciclos y una carga en tres minutos
La cifra que probablemente más llama la atención es su durabilidad superior a 60.000 ciclos completos. En las pruebas realizadas por los investigadores, la pérdida de capacidad se situó entre el 0,0001% y el 0,0003% por ciclo, dependiendo de la configuración utilizada. Sobre el papel, hablamos de una longevidad extraordinaria para una batería destinada a trabajar durante años en instalaciones de almacenamiento estacionario.
La velocidad de carga tampoco se queda atrás. En la configuración orientada a conseguir el mayor número de ciclos, la batería trabaja con una capacidad de unos 150 mAh/g y puede cargarse completamente en aproximadamente tres minutos, manteniendo después una vida útil superior a 60.000 ciclos. Cuando los investigadores priorizan una mayor capacidad específica, el sistema alcanza 200 mAh/g y puede completar la carga en unos siete minutos, aunque en este caso la duración se reduce hasta unos 8.000 ciclos.
El voltaje de funcionamiento se sitúa entre 1,3 y 1,4 voltios. Son valores modestos si se comparan con las baterías utilizadas en los coches eléctricos actuales, pero ese no es el objetivo de esta tecnología. Su campo de aplicación está mucho más relacionado con el almacenamiento estacionario de electricidad, donde el peso y el volumen tienen una importancia mucho menor que el coste, la seguridad y la cantidad de ciclos que puede soportar una instalación.
Aquí aparece otra de las grandes ventajas. El electrolito utilizado es acuoso, lo que reduce de manera importante el riesgo asociado a los electrolitos orgánicos inflamables presentes en muchas baterías convencionales. Esto convierte a las baterías acuosas de zinc-yodo en una opción especialmente interesante para instalaciones de almacenamiento de gran tamaño, donde la seguridad es un factor crítico.
El planteamiento encaja además con una necesidad cada vez mayor. Cuanta más electricidad procede de la energía solar y eólica, mayor es la necesidad de disponer de sistemas capaces de almacenar los excedentes y devolverlos a la red cuando la generación renovable cae. En ese escenario, una batería que pueda realizar decenas de miles de ciclos sin una degradación significativa tiene un valor enorme.
Pero la clave de este desarrollo no está únicamente en utilizar zinc y yodo. El verdadero avance se encuentra en la forma de controlar el yodo dentro de la batería, un problema que llevaba tiempo limitando esta química.
Una jaula molecular para evitar que el yodo se escape
Las baterías de zinc-yodo tienen un problema conocido como efecto de desplazamiento de los poliyoduros. Durante las reacciones electroquímicas se generan especies de yodo que pueden disolverse en el electrolito y desplazarse hacia otras zonas de la celda. Este movimiento provoca pérdidas de material activo, autodescarga y degradación progresiva del sistema.
El equipo de la Universidad de Flinders ha abordado el problema utilizando un polímero basado en ciclodextrina, un material orgánico que procede de oligosacáridos obtenidos a partir del almidón. La estructura de estas moléculas tiene una cavidad interna capaz de atrapar las especies de poliyoduro y mantenerlas controladas dentro del cátodo.
La idea puede parecer sencilla, pero es precisamente ahí donde está el avance. La estructura molecular actúa como una especie de jaula para el yodo: lo mantiene suficientemente cerca de la zona donde debe producirse la reacción electroquímica, pero permite al mismo tiempo que las especies necesarias puedan desplazarse y participar en el proceso.
Los investigadores utilizaron un polímero de β-ciclodextrina reticulado. Según los resultados publicados en Angewandte Chemie International Edition, esta estructura permite confinar los polihaluros mediante una estrategia de tipo huésped-invitado, reduciendo el desplazamiento del yodo y mejorando de forma muy notable la estabilidad de la batería.
El resultado es una combinación poco habitual: carga extremadamente rápida y una vida útil de decenas de miles de ciclos. En la configuración de 150 mAh/g, el sistema supera los 60.000 ciclos con una degradación por ciclo extraordinariamente baja. En otra configuración, alcanza 200 mAh/g y alrededor de 8.000 ciclos con una carga de unos siete minutos.
También resulta interesante la disponibilidad de los materiales empleados. El zinc y el yodo no dependen de las mismas cadenas de suministro que algunas de las materias primas utilizadas en las baterías de litio. Además, la ciclodextrina procede del almidón y es un material ampliamente utilizado en industrias como la alimentaria, farmacéutica y cosmética. El polímero desarrollado por el equipo se basa, por tanto, en un material relativamente económico y biodegradable.
Eso no significa que esta tecnología vaya a sustituir mañana a las baterías de litio. De hecho, no parece que ese sea su objetivo principal. Los propios investigadores apuntan al almacenamiento estacionario a gran escala como una de las aplicaciones con mayor potencial: plantas solares, instalaciones industriales y sistemas destinados a estabilizar la red eléctrica.
