Baterías reciclables en el horizonte: sustituyendo electrolitos orgánicos por agua

Baterías de agua & Seguridad contra incendios

Durante años, las baterías de iones de litio han sido la forma dominante de batería en el mercado, tanto para electrónica como para vehículos eléctricos. Esto se debe a su excepcional perfil en términos de densidad energética y seguridad general. Pero cuando fallan, tienden a hacerlo de manera espectacular, con incendios muy intensos que son difíciles de apagar. Esto también es un problema cuando las baterías llegan al final de su vida y necesitan ser recicladas.

Un escenario de peor caso es cuando una falla de batería provoca una cascada de fuego en baterías adyacentes, una preocupación muy real al construir parques de baterías con iones de litio para sistemas a gran escala de servicios públicos. El riesgo de incendio en las baterías de litio proviene principalmente de los electrolitos orgánicos inflamables utilizados para conectar el ánodo y el cátodo de la batería.

Investigadores de la RMIT en Australia podrían haber encontrado una solución reemplazando los electrolitos con agua. El equipo está liderado por el Prof. Tianyi Ma (izquierda), quien trabajó en el proyecto con la Dra. Lingfeng Zhu (derecha).

Fuente: RMIT

Las llamadas baterías de agua, o baterías acuosas de iones metálicos, no pueden iniciar un incendio ni explotar. Además, presentan una toxicidad muy baja tanto para los humanos como para el medio ambiente.

Promesas de las baterías de agua

El diseño de las baterías de agua se basa en elementos simples como el zinc y el magnesio, que son abundantes y de baja toxicidad, lo que reduce los costos de fabricación y facilita su producción masiva.

En la práctica, esto significa que las baterías de agua pueden presentarse en varias formas. Por ejemplo, en forma de batería de iones de magnesio o batería de iones de amoníaco.

Y el equipo del Prof. Tianyi está trabajando en hacer que estas baterías sean comercialmente viables resolviendo los detalles que hasta ahora han obstaculizado su adopción.

Un ejemplo es la mejora de un electrodo de manganeso, creando capacitores que utilizan Magnesio y manganeso y logrando “un 128,39 Wh/kg con una capacidad de ciclo ultra‑larga, manteniendo el 85 % de capacitancia después de 6000 ciclos“

Las sobresalientes propiedades electroquímicas y las implicaciones críticas de seguridad de un electrolito acuoso hacen que este MIC acuoso sea prometedor para aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala. Además, la estrategia del concepto de construcción de defectos duales catión‑anión debería proporcionar ideas esenciales para la fabricación de baterías recargables basadas en iones metálicos.

Fuente: Energy Storage Material

Resolviendo los dendritas

Otro problema que experimentan la mayoría de las baterías es el crecimiento progresivo de dendritas en la batería. Las dendritas son estructuras metálicas puntiagudas que, con el tiempo, pueden crear atajos (y provocar incendios en el caso de los iones de litio). Las baterías de agua también son vulnerables a este problema de dendritas.

Al recubrir las partes metálicas de la batería con bismuto, se crea una capa protectora que bloquea la formación de dendritas.

Esto hace que las nuevas baterías sean significativamente más duraderas que las baterías de iones de litio, lo que las hace adecuadas para usos intensivos como paquetes de baterías a escala de servicios públicos, o incluso vehículos comerciales. Especialmente porque son mucho más seguras, resultan ser una buena candidata para ampliar la selección de químicas alternativas al litio‑ión, especialmente para aplicaciones a escala de servicios públicos (algo que exploramos más a fondo en nuestro artículo “El futuro del almacenamiento de energía – Baterías a escala de servicios públicos”, incluyendo qué empresas están trabajando para producirlas a escala comercial).

“Las baterías de agua de iones de magnesio tienen el potencial de reemplazar las baterías de plomo‑ácido a corto plazo – entre uno y tres años – y de reemplazar potencialmente las baterías de iones de litio a largo plazo, de 5 a 10 años a partir de ahora.” Pr Tianyi Ma

¿Son las baterías de agua el camino a seguir?

Las baterías a escala de servicios públicos probablemente serán radicalmente diferentes de las baterías de vehículos eléctricos, ya que ambas no operan bajo las mismas restricciones:

• Las baterías de vehículos eléctricos deben ser ligeras y pequeñas, muy densas en energía y cargarse rápidamente.
• Las baterías a escala de servicios públicos deben ser baratas, muy duraderas, estables/seguras y basarse en materiales abundantes que pueden obtenerse en grandes cantidades.

E incluso en el campo de las baterías a escala de servicios públicos, varias químicas probablemente compartirán el mercado durante años, si no décadas.

Esto se debe a que cada una tendrá sus propias ventajas y casos de uso, como diferentes plazos, almacenando energía para el ciclo noche/día o durante semanas.

Y porque, en cualquier caso, la adopción masiva de energías renovables implica la adopción masiva de baterías, y diversificar los materiales evitará un choque de precios en metales que no son raros, pero tampoco están en exceso masivo, como:

• Zinc (baterías de zinc)
• Magnesio (iones de magnesio)
• Manganeso (baterías de hidrógeno metálico)
• Vanadio (baterías de flujo redox)
• Antimonio (baterías de metal fundido)
• Azufre (baterías de sodio‑azufre)

Actualmente no hay empresas trabajando en llevar al mercado baterías de iones de magnesio. Pero esto podría cambiar pronto, considerando las diversas combinaciones químicas que están avanzando hacia la producción masiva.