(por Giovanni Calcerano) En nuestro mundo tecnológico, las baterías están en todas partes: teléfonos, laptops, electrodomésticos pero también dispositivos portátiles, juguetes y aplicaciones industriales. Y para satisfacer las expectativas de los consumidores actuales, estas baterías deben ser más ligeras, más potentes y estar diseñadas para durar más. Actualmente la tecnología más moderna en este campo es la de las baterías de iones de litio, pero esta tecnología es costosa e implica la presencia de un líquido inflamable, que puede suponer un riesgo para la seguridad si la batería se utiliza incorrectamente. Para satisfacer la creciente demanda de los mercados emergentes (automóviles eléctricos, por ejemplo, y almacenamiento de energía renovable), investigadores de Empa (Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales) y la Universidad de Ginebra (UNIGE), han ideado un nuevo prototipo de batería, conocido como “estado totalmente sólido”: esta batería tiene el potencial de almacenar más energía mientras mantiene altos niveles de seguridad y confiabilidad y está basada en sodio, una alternativa económica al litio.
Para que una batería funcione, debe tener tres componentes clave: un ánodo (polo negativo), un cátodo (polo positivo) y un electrolito. La mayoría de las baterías que se utilizan en nuestros equipos electrónicos en la actualidad se basan en iones de litio. A medida que la batería se carga, los iones de litio abandonan el cátodo y viajan al ánodo. Para evitar la formación de dendritas de litio, una especie de estalagmita microscópica que puede provocar cortocircuitos en la batería, el ánodo de las baterías comerciales está hecho de grafito en lugar de litio metálico, aunque este metal ultraligero aumentaría la cantidad de energía que se puede almacenar.
Los investigadores de Empa y UNIGE se centraron en los beneficios de una batería “sólida” para hacer frente a la mayor demanda de los mercados emergentes y producir baterías con un rendimiento aún mejor: carga más rápida junto con mayor capacidad de almacenamiento y mayor seguridad. Su batería utiliza un electrolito sólido en lugar de un líquido, lo que permite el uso de un ánodo metálico que bloquea la formación de dendritas, lo que permite almacenar más energía y garantizar la seguridad.
"Pero aún teníamos que encontrar un conductor de iones sólidos adecuado que, además de no ser tóxico, fuera química y térmicamente estable, y que permitiera que el sodio se moviera fácilmente entre el ánodo y el cátodo", explica Hans Hagemann, profesor del Departamento de Química. y Física de la Facultad de Ciencias UNIGE. Los investigadores encontraron que una sustancia a base de boro, el closoborano, permite que los iones de sodio circulen libremente. Además, dado que el closoborano es un conductor inorgánico, evita el riesgo de incendio de la batería durante la carga. Es un material, en otras palabras, con numerosas propiedades prometedoras.
"La dificultad fue establecer un contacto estrecho entre las tres capas de la batería: el ánodo, compuesto de sodio metálico sólido, el cátodo, una mezcla de óxido de sodio y cromo y el electrolito, closo-borano", dice Léo Duchêne, investigador en Empa. Los investigadores disolvieron parte del electrolito de la batería en un solvente antes de agregar el polvo de óxido de sodio y cromo. Una vez que el solvente se evaporó, apilaron el compuesto de polvo de cátodo con el electrolito y el ánodo, comprimiendo las diversas capas para formar la batería.
Los investigadores de Empa y UNIGE probaron posteriormente la batería. "La estabilidad electroquímica del electrolito que estamos usando aquí puede soportar tres voltios, mientras que muchos electrolitos sólidos previamente estudiados se dañan con el mismo voltaje", dice Arndt Remhof, investigador de Empa y líder del proyecto, que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional Suiza para Science (SNSF) y el Centro Suizo de Investigación Energética sobre Almacenamiento de Calor y Electricidad (SCCER-HaE). Los científicos probaron la batería durante más de 250 ciclos de carga y descarga, después de los cuales el 85% de la capacidad energética aún estaba disponible. "Pero se necesitan 1.200 ciclos antes de que la batería pueda comercializarse", dicen los investigadores. “Además, todavía tenemos que analizar el comportamiento de la batería a temperatura ambiente para que sea posible confirmar si se están formando o no dendritas, aumentando aún más la tensión. Nuestros experimentos aún están en curso ".
https://youtu.be/j1jAk3wf1Uc