El uso de elementos como el litio, el cobalto y el níquel para la fabricación de baterías implica una dependencia de materiales escasos (y, por tanto, caros), tóxicos, cuya extracción y procesamiento provoca numerosos problemas medioambientales; Se necesitan dos millones de litros de agua para extraer 1.000 kilos de litio. Los investigadores buscan urgentemente sustitutos que sean abundantes, renovables, biodegradables, seguros y de bajo coste e impacto medioambiental. La solución puede estar al alcance de la mano: el sodio y el calcio, dos elementos abundantes que se estudian para evitar que la demanda de litio se multiplique por 60 en dos décadas, según las previsiones de la UE.
A la imparable proliferación de dispositivos domésticos y portátiles se suman los dos mayores retos: la electrificación de la movilidad y el almacenamiento de energías renovables para proporcionar energía continua. “No hay suficientes iones de litio, cobalto y níquel para satisfacer las necesidades de todos”, afirma John Abou-Rjeily, investigador de la empresa Tiamat Energy, surgida del Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNRS) de Francia.
Este doctor en Física y Química de Materiales realiza investigaciones, según publica horizonte, alternativamente, el sodio, uno de los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre y cuyo procesamiento y uso es, a diferencia del litio, más seguro y económico. Al contrario, requiere más volumen, por lo que los desarrollos actuales aún no son adecuados para dispositivos pequeños.
Además, no pueden competir con la autonomía que ofrecen los sistemas de almacenamiento actuales a los coches eléctricos. Pero podrían servir como alternativas en rutas más cortas, la mayoría de ellas. “Si bien nunca desafiaría la autonomía de 500 kilómetros de las baterías de iones de litio, este tipo de batería de iones de sodio podría ser más competitiva para tramos más pequeños. Pueden ser más baratos para recorridos de corta y media distancia, explica Abou-Rjeily.
Investigadores de las Universidades Tecnológicas de Chalmers (Suecia) y Delaware (Estados Unidos) están en la misma línea, según un estudio publicado en Fuerza. “Existe una tendencia a requerir una batería muy grande. Pero según las investigaciones, generalmente basta con uno un poco más pequeño y con menos autonomía que un depósito de gasolina, ya que el único momento en el que se necesitaría más autonomía es para un viaje de seis horas o más, en cuyo caso el conductor puede cargarlo. mientras está en movimiento. Se insiste demasiado en la necesidad de una autonomía realmente larga, lo que provoca un aumento del precio del vehículo y un mayor uso de recursos para los coches eléctricos”, afirma Frances Sprei, profesora de Chalmers.
Para este doctor en Energía y Medio Ambiente, este cambio de mentalidad es necesario para adaptar las instalaciones de carga donde las personas pasan la mayor parte de su tiempo: en casa y en el trabajo. Sprei lamenta que, por el contrario, muchos países europeos se centren en la red de recarga en carreteras y caminos.
Este simple cambio en las necesidades percibidas promovería aún más el sodio como alternativa, ya que permitiría su uso en hogares y lugares de trabajo como sistemas de almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables. En esta dirección trabaja Magdalena Graczyk-Zajac, profesora de la Universidad Técnica de Darmstadt, en Alemania, y miembro del proyecto europeo SIMBA, que concluirá su primera fase el próximo mes de junio.
Podrías conducir el coche gratis durante ocho o nueve meses al año
Magdalena Graczyk-Zajac, profesora de la Universidad Técnica de Darmstadt
El investigador está ocupado almacenando la energía captada por los paneles fotovoltaicos domésticos en una batería doméstica recargable de iones de sodio. Esto proporcionaría energía a los hogares y cargaría los vehículos eléctricos de los residentes con una reducción de costos significativa. “Podías conducir el coche gratis durante ocho o nueve meses al año”, afirma. El prototipo ya está siendo sometido a pruebas de laboratorio.
Una parte, el ánodo, está hecha de carbón duro, que puede obtenerse de la madera u otros desechos biológicos. Para el cátodo se prueba el blanco de Prusia, un compuesto químico derivado del pigmento azul del mismo nombre, pero con más sodio y rico en hierro, uno de los metales más abundantes.
El centro de investigación vasco CIC energiGUNE cuenta con un desarrollo propio en este ámbito: un ánodo metálico de sodio de apenas siete micras de espesor (70 veces más fino que los actuales) obtenido mediante un proceso de evaporación física. “Este avance”, según este centro, “abre la puerta a la producción de baterías flexibles de estado sólido con ánodo fino de sodio, una alternativa más segura, económica y de menor tamaño a las actuales baterías con electrolito líquido en las que se utiliza grafito”.
“El sodio no se puede laminar fácilmente debido a su consistencia pegajosa, parecida a la plastilina”, explica Montse Galcerán, investigadora principal de este proyecto en CIC energiGUNE. “Hasta ahora el método más común utilizado para laminar un bloque de sodio era tan básico como trabajar con un martillo, pero esto hacía que no se pudiera obtener una lámina fina y homogénea y, por tanto, había un gran exceso de material no utilizado. sodio en las baterías gracias a la evaporación pudimos superar este obstáculo”, afirma.
Este adelgazamiento del ánodo nos permite reducir la cantidad de sodio necesaria, así como los costes, el peso y el tamaño de las baterías, al tiempo que aumenta la densidad energética (mayor capacidad de almacenamiento) y la seguridad.
Si la materia prima es barata, las baterías también lo serán
Rosa Palacín, Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC)
Otro elemento utilizado como sustituto del litio es el calcio. “Es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre y no se concentra en áreas geográficas específicas, como ocurre con el litio. Si la materia prima es barata, las baterías también pueden serlo”, afirma Rosa Palacín, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) y miembro del proyecto CARBAT en Horizon.
El uso de calcio como electrodo negativo ofrece ventajas frente al grafito en las baterías de iones de litio, ya que tiene una mayor capacidad de almacenamiento por kilogramo (densidad de energía) que las baterías de litio convencionales, que además forman diminutas estructuras rígidas llamadas dendritas y que pueden provocar un cortocircuito. circuito o explotar. después de muchos usos, dependiendo de la entidad.
“Cuando el calcio pasa por el electrolito, se escapan dos electrones en lugar de uno, como ocurre con el litio. Se puede suponer que una batería del mismo tamaño ofrecería mayor autonomía a la hora de utilizarla en un vehículo eléctrico, siempre y cuando se encuentre un electrodo positivo adecuado”, explica Palacín.
La clave es elegir los componentes más adecuados. “Parece que, en última instancia, todas las sales de electrolitos que funcionan contienen boro. Utilizamos tetrafluoroborato de calcio disuelto en una mezcla de carbonato de etileno y propileno”, explica el investigador.
Otros investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca buscan participar en el proyecto SALBAGE, una batería compuesta por un ánodo de aluminio y un cátodo de azufre. El aluminio es incluso más abundante que el calcio, pero incorporarlo a una batería plantea desafíos similares.
“Todos los materiales utilizados son económicos. El aluminio, el azufre, el propio electrolito y la urea son muy, muy baratos. El polímero también lo es”, afirma el investigador universitario danés Juan Lastra, que defiende esta opción para almacenar energía procedente de un parque eólico o solar.
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