Investigadores aceleran baterías seguras y respetuosas con el medio ambiente

Equipos científicos de China y Estados Unidos han presentado una serie de prototipos de baterías que buscan reducir el riesgo de incendio, minimizar el uso de metales críticos y limitar el impacto ambiental, reforzando la apuesta por un almacenamiento de energía más seguro y sostenible. Los últimos trabajos abarcan celdas de litio orgánicas, baterías acuosas, electrolitos en gel y nuevos fluidos para baterías de flujo, y muestran cómo el diseño de materiales podría transformar en el futuro tanto las baterías de vehículos eléctricos como los sistemas de respaldo para la red eléctrica.

Baterías orgánicas resisten flexión y perforación

Un consorcio liderado por el profesor Xu Yunhua de la Universidad de Tianjin y la profesora Huang Fei de la Universidad de Tecnología del Sur de China ha desarrollado una batería de litio orgánica en formato pouch que utiliza como cátodo un polímero conductor de tipo n denominado PBFDO. El artículo, publicado en Nature, indica que este material combina alta conductividad electrónica, transporte rápido de iones de litio y baja solubilidad, lo que ayuda a resolver los problemas de degradación que han limitado a muchos electrodos orgánicos.

Los investigadores señalan que las celdas prototipo con PBFDO alcanzan densidades de energía cercanas a 250 vatios-hora por kilogramo, similares a las de determinadas baterías comerciales de fosfato de hierro y litio, pero sin recurrir a cobalto o níquel en el cátodo. Las pruebas muestran un funcionamiento estable entre aproximadamente menos 70 y 80 grados Celsius y una capacidad prácticamente intacta tras someter las celdas a flexión, compresión y perforación, ensayos pensados para evaluar el riesgo de fuga térmica. Xu declaró en medios oficiales chinos que este enfoque afronta a la vez la dependencia de recursos minerales y las preocupaciones medioambientales asociadas a las baterías de litio convencionales.

Otro estudio, firmado por investigadores de la City University of Hong Kong y otras instituciones, presenta una batería acuosa con electrodos orgánicos y un electrolito neutro químicamente comparable a la salmuera usada en la producción de tofu. El trabajo, publicado en Nature Communications, describe un sistema que emplea polímeros orgánicos covalentes como material activo para almacenar iones divalentes y que funciona en un electrolito con pH 7, lo que reduce el impacto ambiental al final de su vida útil. Según el equipo, la batería soportó más de 120.000 ciclos de carga y descarga con una degradación limitada y, gracias a su naturaleza no tóxica y no inflamable, podría adaptarse en el futuro al almacenamiento estacionario si se supera el reto de la industrialización.

Laboratorios estadounidenses se centran en el electrolito

En Estados Unidos, el centro Breakthrough Electrolytes for Energy Storage Systems (BEES²) de la Case Western Reserve University ha diseñado una nueva familia de electrolitos para baterías de flujo recargables que presentan menor volatilidad y menor propensión al fuego que los disolventes orgánicos utilizados en muchas baterías de ion litio. El trabajo, difundido en Proceedings of the National Academy of Sciences, explota un mecanismo de “salto de protones” en el que los iones de hidrógeno se transfieren de una molécula a otra sin desplazarse físicamente a través de todo el líquido, de modo que el electrolito puede ser más viscoso y, al mismo tiempo, mantener una conductividad elevada.

Burcu Gurkan, directora de BEES², explicó que la estrategia parte de la aceptación de fluidos más espesos por motivos de seguridad, pero aprovecha el tamaño reducido de los protones para evitar las pérdidas de rendimiento que normalmente implica un electrolito muy denso. El equipo sostiene que esta química podría mejorar el perfil de seguridad de las baterías de flujo destinadas a almacenamiento estacionario, aunque insiste en que el desarrollo se encuentra aún en fase de laboratorio.

En paralelo, un grupo de la Universidad de Columbia encabezado por Yuan Yang ha presentado un electrolito polimérico en gel para baterías de litio sin ánodo, una arquitectura de alta densidad energética que hasta ahora se ha visto limitada por su corta vida útil y por problemas de seguridad. Los investigadores diseñaron una red polimérica “saltofóbica” que repele las sales de litio y atrae las moléculas de disolvente, creando dominios nanométricos que favorecen la formación de una capa protectora estable sobre el litio metálico y reducen las reacciones parasitarias.

De acuerdo con el artículo en la revista Joule y con notas institucionales, las celdas pouch equipadas con este gel conservaron más del 80 por ciento de su capacidad tras cientos de ciclos en condiciones que emulaban el uso en vehículos eléctricos. En pruebas de abuso, los prototipos con gel soportaron perforaciones sin entrar en fuga térmica, mientras que celdas comparables con electrolitos líquidos convencionales se incendiaron o explotaron. El equipo de Yang considera que integrar la seguridad y la durabilidad en la propia arquitectura del electrolito puede acercar las baterías sin ánodo a su despliegue comercial si se logran procesos de fabricación competitivos.

Desafíos para salir del laboratorio

Aunque todos estos resultados se han obtenido en condiciones controladas y con celdas de demostración, los investigadores coinciden en que la estabilidad a largo plazo, la viabilidad industrial y la densidad energética serán los factores decisivos a la hora de pasar a aplicaciones reales. Los avances recientes reflejan un esfuerzo amplio por explorar polímeros orgánicos, electrolitos acuosos neutros, fluidos de flujo basados en protones y geles estructurados con el objetivo de reducir la inflamabilidad, la dependencia de metales escasos y los problemas de reciclaje asociados al dominio actual de las baterías de ion litio.