Un paso para una nueva batería prometedora para almacenar energía limpia

2019-09-11 14:13:58

Los investigadores han construido una batería de potasio-oxígeno más eficiente y confiable, un paso hacia una posible solución para el almacenamiento de energía en la red eléctrica del país y baterías de mayor duración en teléfonos celulares y computadoras portátiles.


En un estudio publicado el viernes en la revista Batteries and Supercaps, investigadores de la Universidad Estatal de Ohio detallaron sus hallazgos centrados en la construcción del cátodo de la batería, que almacena la energía producida por una reacción química en una batería de metal-oxígeno o metal-aire. El hallazgo, dicen los investigadores, podría hacer que las fuentes de energía renovables como la energía solar y eólica sean opciones más viables para la red eléctrica a través de un almacenamiento de energía más barato y eficiente.


"Si desea ir a una opción totalmente renovable para la red eléctrica, necesita dispositivos económicos de almacenamiento de energía que puedan almacenar el exceso de energía y devolverla cuando no tenga la fuente lista o funcionando", dijo Vishnu- Baba Sundaresan, coautor del estudio y profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en el estado de Ohio. "Una tecnología como esta es clave, porque es barata, no utiliza materiales exóticos y puede fabricarse en cualquier lugar y promover la economía local".


Las fuentes de energía renovables no emiten dióxido de carbono, por lo que no contribuyen al calentamiento global, pero solo proporcionan energía cuando el sol brilla o sopla el viento. Para que sean fuentes confiables de energía para la red de energía de una región, debe haber una forma de almacenar el exceso de energía recolectada por la luz solar y el viento.


Las empresas, los científicos y los gobiernos de todo el mundo están trabajando en soluciones de almacenamiento, que van desde baterías de iones de litio (versiones más grandes de las de muchos vehículos eléctricos) hasta baterías gigantes del tamaño de una gran caja fabricada con el vanadio metálico.


Las baterías de oxígeno y potasio han sido una alternativa potencial para el almacenamiento de energía desde que se inventaron en 2013. Un equipo de investigadores del estado de Ohio, dirigido por el profesor de química Yiying Wu, demostró que las baterías podrían ser más eficientes que las baterías de oxígeno y litio mientras almacenan simultáneamente aproximadamente el doble de energía que las baterías de iones de litio existentes. Pero las baterías de potasio-oxígeno no se han utilizado ampliamente para el almacenamiento de energía porque, hasta ahora, no han podido recargarse suficientes veces para ser rentables.


Mientras los equipos intentaban crear una batería de potasio y oxígeno que podría ser una solución de almacenamiento viable, se encontraron con un obstáculo: la batería se degradaba con cada carga, nunca duraba más de cinco o 10 ciclos de carga, lejos de ser suficiente para hacer que la batería Solución rentable para almacenar energía. Esa degradación ocurrió porque el oxígeno se infiltró en el ánodo de la batería, el lugar que permite que los electrones carguen un dispositivo, ya sea un teléfono celular o una red eléctrica. El oxígeno hizo que el ánodo se descompusiera, por lo que la batería en sí misma ya no podía suministrar una carga.


Paul Gilmore, un candidato a doctorado en el laboratorio de Sundaresan, comenzó a incorporar polímeros en el cátodo para ver si podía proteger el ánodo del oxígeno. Si pudiera encontrar una manera de hacerlo, pensó, le daría una oportunidad a las baterías de potasio-oxígeno para una vida más larga. Resultó que tenía razón: el equipo se dio cuenta de que la hinchazón en el polímero desempeñaba un papel vital en su rendimiento. La clave, dijo Gilmore, era encontrar una manera de llevar oxígeno a la batería, necesaria para que funcione, sin permitir que el oxígeno se filtre en el ánodo.


Este diseño funciona un poco como los pulmones humanos: el aire ingresa a la batería a través de una capa de carbono fibroso, luego se encuentra con una segunda capa que es ligeramente menos porosa y finalmente termina en una tercera capa, que es apenas porosa. Esa tercera capa, hecha del polímero conductor, permite que los iones de potasio viajen a través del cátodo, pero restringe que el oxígeno molecular llegue al ánodo. El diseño significa que la batería se puede cargar al menos 125 veces, lo que da a las baterías de oxígeno y potasio más de 12 veces la duración que tenían anteriormente con electrolitos de bajo costo.


El hallazgo muestra que esto es posible, pero las pruebas del equipo no han demostrado que las baterías puedan fabricarse en la escala necesaria para el almacenamiento de la red eléctrica, dijo Sundaresan. Sin embargo, muestra potencial.


Gilmore dijo que también puede existir potencial para que las baterías de potasio-oxígeno sean útiles en otras aplicaciones.


"Las baterías de oxígeno tienen una mayor densidad de energía, lo que significa que pueden mejorar el alcance de los vehículos eléctricos y la vida útil de la batería de los dispositivos electrónicos portátiles, por ejemplo, aunque se deben superar otros desafíos antes de que las baterías de oxígeno y potasio sean viables para estas aplicaciones", dijo.


Y el hallazgo ofrece una alternativa a las baterías de iones de litio y otras que dependen del cobalto, un material que se ha llamado "el diamante de sangre de las baterías". La extracción del material es tan preocupante que las principales empresas, incluida TESLA, han anunciado sus planes para eliminarlo por completo de las baterías.


"Es muy importante que las baterías destinadas a aplicaciones a gran escala no utilicen cobalto", dijo Sundaresan.


Y también es impo