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 costo e impacto ambiental. La solución puede estar cerca: el sodio y el calcio, dos elementos abundantes que se investigan 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 energía renovable 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 investiga, según publica horizonte, como alternativa 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.
Tampoco pueden competir con la autonomía que los sistemas de almacenamiento actuales aportan a los coches eléctricos. Pero podrían servir como alternativas en rutas más cortas, la mayoría. “Aunque nunca desafiaría la autonomía de 500 kilómetros de las baterías de iones de litio, este tipo de iones de sodio podría ser más competitivo para tramos más pequeños. Podrían ser más baratos para distancias cortas y medias en coche, 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 Energía. “Existe una tendencia a exigir una batería realmente grande. Pero según las investigaciones, por lo general, uno un poco más pequeño, con menos autonomía que el de un depósito de gasolina, es suficiente, ya que el único momento en el que necesitarías una mayor autonomía es para un viaje de seis horas o más, en cuyo caso , el conductor podría cargar mientras viaja. Se hace demasiado hincapié en la necesidad de una autonomía realmente larga y esto 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 allí donde la gente pasa más 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.
Esta simple modificación de la percepción de necesidades impulsaría aún más el sodio como alternativa, ya que permitiría implementarlo en hogares y lugares de trabajo como sistemas de almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables. En este sentido trabaja Magdalena Graczyk-Zajac, profesora de la Universidad Técnica de Darmstadt en Alemania, y miembro del proyecto europeo SIMBA, que concluye 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 apuesta por almacenar la energía captada por los paneles fotovoltaicos domésticos en una batería doméstica recargable de iones de sodio. Esto alimentaría las viviendas y cargaría los vehículos eléctricos de sus residentes con una importante reducción de costes. «Podrías conducir el coche gratis durante ocho o nueve meses al año», afirma. El prototipo ya se encuentra en pruebas de laboratorio.
Una parte, el ánodo, está hecha de carbón duro, que se puede obtener de la madera u otros desechos biológicos. Para el cátodo se prueba el blanco de Prusia, un compuesto químico derivado de un 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 tiene un desarrollo propio en este ámbito: un ánodo metálico de sodio con un espesor de sólo siete micras (70 veces más fino que los actuales) conseguido mediante un proceso de evaporación física. “Este avance”, según este centro, “abre la puerta a la fabricación 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 textura pegajosa, similar a la plastilina”, explica a CIC energiGUNE Montse Galcerán, investigadora principal de este proyecto. “Hasta la fecha, el método más común utilizado para laminar un bloque de sodio era tan básico como procesarlo 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 hemos logrado superar ese obstáculo”, asegura.
Este adelgazamiento del ánodo nos permite reducir la cantidad de sodio necesaria, así como los costes, peso y dimensiones 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 pueden ser
Rosa Palacín, Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC)
Otro elemento que se utiliza 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 a Horizonte.
Utilizar calcio como electrodo negativo ofrece ventajas frente al grafito en las baterías de iones de litio, ya que tiene una mayor capacidad de acumulación por kilogramo (densidad de energía) que las baterías de litio convencionales, que además forman diminutas estructuras rígidas llamadas dendritas y que pueden provocar cortocircuitos o explotar. después de muchos usos, según la entidad.
“Cuando el calcio pasa a través del electrolito, salen dos electrones, en lugar de uno, como en el caso del litio. Se puede suponer que una batería del mismo tamaño ofrecería mayor autonomía si se utilizara 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. Usamos tetrafluoroborato de calcio disuelto en una mezcla de carbonato de etileno y propileno”, afirma el investigador.
Otros investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca buscan, en el proyecto SALBAGE, una batería hecha de un ánodo de aluminio y un cátodo de azufre. El aluminio es incluso más abundante que el calcio, pero incorporarlo a una batería plantea dificultades similares.
“Todos los materiales utilizados son baratos. El aluminio, el azufre, el propio electrolito y la urea son muy, muy baratos. Incluso el polímero lo es”, afirma el investigador universitario danés Juan Lastra, que defiende esta opción para almacenar energía procedente de un parque eólico o solar.
puedes seguir EL PAÍS Tecnología en Facebook y X o regístrate aquí para recibir nuestra boletín semanal.
Suscríbete para seguir leyendo
Leer sin límites
_
