Energía
Avance en Batería de Litio-CO₂ Captura Carbono Mientras Alimenta Dispositivos
Los ingenieros de la Universidad de Surrey han presentado una batería de Litio-CO₂ que elimina el dióxido de carbono del aire como parte de su funcionamiento normal. El diseño mejorado de la batería tiene el potencial de superar a sus predecesoras mientras ayuda a combatir la contaminación y el cambio climático. Esto es lo que necesitas saber.
Por qué las baterías de iones de litio se quedan cortas en la energía verde
El futuro es inalámbrico, y los fabricantes entienden que hay una demanda de soluciones de baterías limpias. Las baterías más comunes que se usan hoy en día son las de iones de litio. Estas baterías se encuentran en dispositivos cotidianos, como tu teléfono móvil, vehículo eléctrico y reloj inteligente. Las baterías de iones de litio ofrecen una densidad decente, ciclos de carga y son asequibles. Sin embargo, no son sostenibles y siguen siendo un importante contaminante en los vertederos a nivel mundial.
Desafíos clave de las baterías de iones de litio: seguridad, costo y residuos
Existen varios problemas con las baterías de iones de litio que han limitado su efectividad y eficiencia. Por un lado, requieren el uso de materiales costosos y de tierras raras. Recursos como el platino son difíciles de obtener y aumentan considerablemente el costo del proceso de fabricación. Además, la demanda de minerales de tierras raras se ha convertido en una preocupación de seguridad para las naciones, que ahora buscan asegurar suministros abundantes de estos elementos esenciales.
Las baterías de iones de litio también sufren de una vida útil de ciclo pobre. El diseño de esta batería incurre en cierta pérdida por cada ciclo de carga. Como tal, las baterías de iones de litio reducen su rendimiento con cada ciclo. Además, son muy caras de disponer y pueden convertirse en un riesgo de seguridad si se cargan incorrectamente o si ocurre una fuga térmica.
La fuga térmica se refiere al sobrecalentamiento de las celdas de baterías de iones de litio, lo que provoca que las celdas circundantes hagan lo mismo. El resultado es una fusión masiva que puede iniciar incendios o incluso explosiones. El daño causado durante estos eventos ha sido bien documentado. Una búsqueda simple resaltará una larga historia de incendios de baterías de iones de litio en todo el mundo.
Sobrepotencial
Otra preocupación para los usuarios de baterías de iones de litio es el sobrepotencial. Este término se refiere a la cantidad de energía utilizada para iniciar una reacción química y cargar la batería. Los sistemas de iones de litio sufren de alto sobrepotencial. Sin embargo, todo eso está a punto de cambiar gracias a científicos ingeniosos.
¿Qué son las baterías de Litio-CO₂ y cómo funcionan?
Las baterías de Litio-CO₂ han surgido como una alternativa emocionante. Estas baterías recargables utilizan gas CO₂ como portador de energía. Esta estructura brinda beneficios importantes como mejor rendimiento, mayor capacidad y calidad del aire más limpia. En consecuencia, muchos creen que las baterías de Litio-CO₂ son el mejor paso para lograr emisiones netas de carbono cero en el futuro.
Desventajas de las baterías de Litio-CO₂ actuales
Una de las principales desventajas de usar baterías Li-CO₂ actualmente es la falta de catalizadores fiables y de bajo costo. Reconociendo este hecho, los ingenieros han creado una nueva versión que integra avances recientes en ciencia de materiales y modelado computacional. El nuevo enfoque promete abordar dos problemas a la vez, el uso de energía y la calidad del aire.
Estudio revolucionario de baterías de Litio-CO₂ de la Universidad de Surrey
El estudio1, “Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO2 Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst“, publicado en Advanced Science, profundiza en las baterías “respirantes“. Estos dispositivos usan CO₂ para interactuar con un catalizador diseñado a medida, creando un bucle de energía limpia.
Baterías de Litio-CO₂ desmanteladas
Como parte de su proceso, los ingenieros crearon varias baterías Li-CO₂ con diferentes catalizadores. Luego pusieron las baterías a través de miles de ciclos de carga, representando años de uso diario. Después del período de ciclos, desmantelaron las unidades para obtener una comprensión más profunda de lo que ocurrió en términos de degradación, acumulación y otros factores limitantes del rendimiento. Notablemente, el equipo observó que se formaban depósitos de carbonato de litio y que podían ser removidos fácilmente para permitir que la batería mejorara su ciclo de carga.
Modelo computacional de baterías de Litio-CO₂
Los investigadores utilizaron los datos obtenidos de sus experimentos para crear un modelo computacional preciso. El modelo usa teoría del funcional de densidad (DFT) para predecir detalles críticos y cambios. El modelo mejoró la capacidad del equipo para realizar experimentos mentales y ayudó a reducir costos totales mientras ampliaban sus pruebas. El objetivo era usar el modelo para encontrar el mejor material que creara una estructura porosa estable que pudiera soportar las reacciones químicas que hacen funcionar las baterías de litio.
Fosfomolibdato de cesio (CPM)
Después de algunas pruebas, los ingenieros determinaron que el fosfomolibdato de cesio (Cs3PMo12O40, CPM) era una opción prometedora. Aplicaron el CPM como catalizador en baterías Li‒CO2 y luego realizaron varias pruebas. Para crear el CPM, los ingenieros sintetizaron los catalizadores y recubrieron un cátodo.
El material resultó ideal porque tenía muchos sitios electroactivos y presentaba una superficie enriquecida en oxígeno. Además, el compuesto posee una morfología mesoporosa única que aporta durabilidad y rendimiento durante los ciclos de carga, lo que significa que estas baterías usan menos energía para recargarse en comparación con sus predecesoras.
Este poro de CPM es ideal porque favorece la difusión eficiente de moléculas de CO₂ y iones Li+ hacia los sitios activos. Además, los poros cumplen otra función, al alojar los productos de descarga. Notablemente, las estructuras cristalinas miden solo 140 nm de tamaño.
Difracción de rayos X en polvo (PXRD)
Los ingenieros revisaron la estructura de la red cristalina y la composición del catalizador CPM sintetizado usando el método de difracción de rayos X en polvo. Esta herramienta funciona enfocando rayos X sobre la estructura y analizando su patrón de difracción.
Transformada de Fourier infrarroja (FTIR)
El siguiente paso fue determinar qué energía se absorbía o emitía debido a los procesos. Los ingenieros usaron espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier para lograr este paso. El equipo observó la presencia de partículas keggin durante el proceso, lo cual coincidía con las predicciones de su modelo computacional.
Unidades Keggin
El equipo dedicó mucho esfuerzo a determinar si su creación tenía unidades keggin integradas en su superficie. Las unidades keggin se refieren a un marco cristalino conocido por su robustez y estabilidad estructural. Es la configuración ideal para baterías porque mantiene su estructura durante el proceso de ciclado.
Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS)
El equipo utilizó espectroscopía de fotoelectrones de rayos X para obtener una comprensión más profunda del estado químico del catalizador durante y después del proceso. Determinaron con precisión la composición elemental de la superficie y la ajustaron para optimizar el rendimiento y la longevidad de la batería.
Termogravimetría (TG)
El siguiente paso fue determinar si había humedad ingresando al sistema o produciéndose como subproducto. Los investigadores emplearon termogravimetría para evaluar el contenido de agua del compuesto CPM. La prueba reveló que el nuevo diseño podría soportar desarrollos de baterías de alta densidad.
Prueba de baterías de Litio-CO₂
Una serie de experimentos de laboratorio ayudó a los ingenieros a verificar sus predicciones. El equipo realizó simulaciones físicas y computacionales para evaluar la capacidad electrocatalítica del catalizador CPM en la mejora de la cinética CRR/CER. Determinaron que su estructura poseía características únicas que la hacen ideal para usar como catalizador.
Resultados de la prueba de baterías de Litio-CO₂
Los resultados de la prueba fueron reveladores. La nueva estructura de batería operó sin fallos. El equipo realizó 100 ciclos a 50 mA g⁻¹ con una limitación de capacidad de 500 mAh g⁻¹. Notaron que el dispositivo podía almacenar más energía y era más fácil de cargar que las opciones tradicionales de iones de litio. De manera impresionante, las baterías mejoradas demostraron una excelente capacidad de descarga de 15440 mAh g⁻¹ a 50 mA g⁻¹ con una eficiencia coulómbica del 97,3 %. Además, el catalizador entregó un bajo sobrepotencial de 0,67 V.
Estos datos demostraron que el nuevo diseño era mucho más eficaz que el catalizador tradicional. Específicamente, ofrece una mayor capacidad de carga‑descarga y baterías con menor sobrepotencial. Además, el diseño de la batería Li‑CO₂ soporta una larga estabilidad de 107 ciclos a 50 mA g⁻¹ con una capacidad limitada de 500 mAh g⁻¹.
Principales beneficios de las baterías de Litio-CO₂ para la energía limpia
Existen muchos beneficios que las baterías de Litio-CO₂ aportan al mercado. En primer lugar, ofrecen a los usuarios una alternativa limpia a las baterías de iones de litio, que continúan llenando los vertederos. Este nuevo enfoque reduce los desechos y las emisiones de gases de efecto invernadero al mismo tiempo, abriendo la puerta a que la industria de baterías realice mejoras serias mientras disminuye la contaminación.
Mayor capacidad
El informe muestra que las baterías de Litio-CO₂ pueden proporcionar una mayor capacidad que sus predecesoras. Además, tienen un sobrepotencial mucho más bajo, lo que significa que usan mucho menos energía para cargarse. El enfoque de carga menos intenso amplía el ciclo de vida de la batería sin reducir su rendimiento.
Las baterías de Litio-CO₂ son más asequibles.
Otra razón por la que los fabricantes de baterías y los consumidores podrían ver una afluencia repentina de opciones de Litio-CO₂ es que ofrecen un proceso de fabricación más económico. Cuando combinas los costos reducidos de fabricación con las menores emisiones, la alternativa de Litio-CO₂ parece una forma práctica de almacenar energía limpia.
Las baterías de Litio-CO₂ son más escalables
Los investigadores aseguraron que su trabajo podría escalar para satisfacer las necesidades de la comunidad. Existe una demanda masiva de opciones de energía limpia para alimentar dispositivos portátiles. Los ingenieros ven este desarrollo de batería como una mejora que reduce costos y que, además, atrapa CO₂, un gas de efecto invernadero nocivo.
Las baterías de Litio-CO₂ son más eficientes.
La eficiencia es otro beneficio que las baterías de Litio-CO₂ tienen en comparación con otras soluciones de baterías. Estos suministros de energía de próxima generación podrán operar eficientemente en una amplia gama de casos de uso. Las unidades ofrecen mayor capacidad energética y pueden escalarse para asegurar que sean la opción adecuada para cada aplicación.
Sin metales de tierras raras
Los metales de tierras raras son un recurso limitado que sigue ganando valor. Ya existen aranceles importantes y otras legislaciones para intentar proteger el acceso a los metales de tierras raras por parte de las superpotencias mundiales. La decisión de los ingenieros de eliminar la necesidad de estos minerales en su diseño de batería podría ser una de las principales razones por las que esta tecnología tenga éxito.
Aplicaciones del mundo real de las baterías de Litio-CO₂ y cuándo esperarlas
Existen muchas aplicaciones para baterías más ecológicas. El mundo necesita alternativas limpias que puedan alimentar el número creciente de sistemas inalámbricos que se usan a diario. El Litio-CO₂ podría, algún día, alimentar tu hogar, coche y dispositivos, mientras ayuda a reducir los gases de efecto invernadero nocivos.
Viajes espaciales
Los viajes espaciales son otra aplicación para esta tecnología. A medida que los científicos continúan pensando en formas de apoyar la exploración del espacio profundo y de otros mundos, se deben investigar nuevas opciones de energía. Este último desarrollo tiene ventajas clave, ya que podría operar en planetas lejanos como Marte debido a que su atmósfera está compuesta en un 95 % de CO₂.
Línea de tiempo de las baterías de Litio-CO₂
Podrían pasar alrededor de +5 años hasta que las baterías de CO₂ lleguen a los consumidores. La tecnología está allí, pero el equipo aún debe averiguar el mejor enfoque para llevar su invención al mercado. Notablemente, la creciente demanda de cumplir con los compromisos de carbono neto cero podría acelerar esta línea de tiempo y ayudar a que la integración de opciones de Litio-CO₂ sea una prioridad.
Investigadores de baterías de Litio-CO₂
El estudio de baterías de Litio-CO₂ fue alojado por la School of Chemistry and Chemical Engineering de Surrey y el Advanced Technology Institute. El artículo revolucionario enumera a Siddharth Gadkari y Daniel Commandeur como co‑autores del estudio. Recibieron apoyo de Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr, James Wright, Thomas M Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai y Robert C. T. Slade.
Futuro de las baterías de Litio-CO₂
El equipo busca profundizar en otros materiales y en cómo estos catalizadores interactúan con electrodos y electrolitos. También quieren explorar más a fondo los polioxometalatos tipo Keggin como catalizador redox bifuncional. Estos pasos podrían ayudar a mejorar aspectos clave de su diseño, incluida la ciclicidad reversible de las baterías recargables de Li–CO₂.
Invertir en el sector de baterías
Hay varias empresas involucradas en el mercado de baterías. Estas firmas abarcan desde fabricantes de primer nivel bien conocidos hasta alternativas de bajo costo e incluso imitaciones. La demanda de baterías de calidad sigue siendo alta. Aquí hay un fabricante de baterías que permanece posicionado para el éxito y que podría integrar baterías de Litio-CO₂ en sus productos en el futuro.
Solid Power
Solid Power (SLDP ) entró al mercado en 2011 y tiene su sede en Colorado. El objetivo de la compañía es crear alternativas de baterías de estado sólido de alto rendimiento. Desde su lanzamiento, Solid Power ha visto un apoyo considerable y crecimiento en el mercado. Este crecimiento se debe principalmente a su espíritu innovador y a sus productos únicos que sustituyen los electrolitos líquidos por opciones sólidas de sulfuro. Este enfoque redujo el riesgo de incendio o fuga térmica.
Solid Power tiene varias alianzas estratégicas con fabricantes de vehículos eléctricos. Estas alianzas están diseñadas para impulsar la innovación y ayudar al mercado a encontrar una alternativa más segura y eficiente. Hoy, la compañía tiene acuerdos con una variedad de fabricantes de diferentes industrias, incluidos los sectores médico y manufacturero.
(SLDP )
Quienes buscan una acción de baterías sólidas con potencial de crecimiento deberían considerar investigar más sobre SLDP. Las alianzas de la compañía y sus productos han entusiasmado a muchos analistas. Además, la creciente demanda de sus servicios podría correlacionarse con un aumento del valor de la acción en las próximas semanas.
Últimas noticias y desarrollos de acciones de Solid Power (SLDP)
Baterías de Litio-CO₂ – Energía limpia para llevar
Las baterías de Litio-CO₂ podrían ayudar a los ingenieros a poner fin a los peligros de incendio y al daño causado por la fuga térmica de las baterías de iones de litio. Estas unidades están en todas partes, y reemplazarlas con una alternativa más segura y eficiente podría ayudar a una gran parte de la población. En consecuencia, fabricantes e ingenieros continúan destinando tiempo, dinero y esfuerzo a mejorar las baterías actuales. Afortunadamente, este último producto maximiza sus esfuerzos junto con la producción de energía limpia.
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Estudios referenciados:
1. Masoudi, M., Xavier Jr, N. F., Wright, J., Roseveare, T. M., Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, R. C. T., Commandeur, D., & Gadkari, S. (2025). Ultralow overpotential in rechargeable Li–CO₂ batteries enabled by caesium phosphomolybdate as an effective redox catalyst. Advanced Science, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553
