El Departamento de Energía de los EE.UU. entregó la semana pasada una subvención de investigación de 5,3 millones de dólares a Fluidic Energy, con sede en Scottsdale, Arizona, para el desarrollo de una batería metal-aire basada en el uso líquidos iónicos como electrolito, en vez de una solución acuosa.
El objetivo de la compañía es construir una batería Líquido Iónica de Metal-Aire que contenga hasta 11 veces más la densidad de energía de las mejores tecnologías de litio-ion por menos de un tercio de su coste. Cody Friesen, profesor de ciencias de los materiales en la Universidad del Estado de Arizona y fundador de Fluidic Energy, afirma que el uso de líquidos iónicos soluciona muchos de los problemas que han hecho que las baterías de metal-aire no acabasen de despegar en el pasado. “No estoy diciendo que tengamos la clave todavía, pero si tenemos éxito, realmente va a cambiar nuestro punto de vista sobre el almacenamiento,” afirma Friesen, que fue nombrado uno de los principales innovadores de Technology Review menores de 35 años en 2009.
Las baterías de metal-aire, como por ejemplo las que usan zincanodos, normalmente utilizan electrolitos basados en agua. El oxígeno del ambiente se introduce a través de un electrodo poroso de “aire” (-cátodo) y produce iones de hidroxilo al contactar con el electrolito. Estos iones alcanzan al ánodo y empiezan a oxidar el zinc—una reacción que produce una corriente a través de la liberación de electrones.
Pero como ocurre con cualquier solución acuosa, el agua en el electrolito se puede evaporar, causando que las baterías fallen de forma prematura. El agua también posee una ventana electroquímica relativamente baja, lo que significa que se empieza a descomponer cuando la célula excede los 1,23 voltios. Estos son dos problemas que los investigadores de la Academia de las Fuerzas Aéreas de los EE.UU. empezaron a intentar solucionar hace ya 25 años. A principios de los años 80, experimentaron con líquidos iónicos—sales que son líquidas a temperatura ambiente, y que a menudo pueden permanecer en estado líquido en temperaturas bajo cero o por encima del punto de ebullición del agua.
“Son fluidos maravillosos. Son extraordinarios,” afirma John Wilkes, experto en líquidos iónicos y director del departamento de química de la academia. “Si nos fijamos en estos líquidos dentro de una botella, se parecen al agua, excepto por el hecho de que son viscosos. No son volátiles, no se evaporan, son físicamente estables y conducen la electricidad bastante bien.”
Friesen, cuyo equipo de investigación del Estado de Arizona ha pasado los últimos años experimentando con varios líquidos iónicos, afirma que una batería de metal-aire que utilice líquido iónico como electrolito no sólo funcionará durante un tiempo significativamente más largo—puesto que la sequedad ya no es un problema—sino que también hará que aumente la densidad de energía. “Estos líquidos tienen ventanas de estabilidad electroquímica de hasta cinco voltios, por lo que nos permiten usar metales con más densidad de energía que zinc.” Afirma que su equipo de investigación tendrá como objetivo las densidades de energía de al menos 900 vatios-hora por kilogramo, hasta los 1.600 vatios-hora por kilogramo expuestos en el proyecto que acaba de financiar el DOE.
El problema con los líquidos iónicos es que aún se fabrican en pequeñas cantidades, lo que hace que sean muy caros en comparación con otros disolventes utilizados para disolver las sales. “No obstante, hay quienes están fabricando líquidos iónicos hoy día a partir de cosas ya conocidas y producidas en altas cantidades, como los detergentes,” señala Wilkes.
Robin Rogers, profesor de química en la Universidad de Alabama, afirma que el reto es encontrar “líquidos iónicos como materia prima” que contengan la serie de propiedades adecuadas y que puedan cambiar de forma completa la ecuación económica de las baterías de metal-aire. “No es imposible,” afirma. “En cuanto a los líquidos iónicos, yo creo que hay que dar un paso atrás y volver a replanteá oslo todo de forma distinta.”
Friesen no le da importancia al problema del coste, y señala que los líquidos se convierten en algo muy económico cuando se desarrollan en grandes volúmenes. Es cauteloso, no obstante, a la hora de no hablar demasiado acerca de los líquidos iónicos que ha desarrollado su equipo, y sólo revela que existen varios competidores “que parecen estar funcionando muy bien.”
Friesen también es cauteloso a la hora de hablar de otro componente principal de la investigación de Fluidic Energy: una estructura de electrodo de metal que supere el problema de la formación de dentríticos. Estas estructuras con forma de ramas pueden crecer sobre, por ejemplo, el electrodo de zinc y provocar cortocircuitos en las baterías de metal-aire. La formación de dentríticos ocurre en las baterías recargables cuando las reacciones químicas se invierten, limitando el número de ciclos de recarga. Fluidic Energy ha desarrollado un andamiaje para el electrodo con porosidad multi modal, lo que significa que posee un rango de tamaños de poro de hasta 10 nanómetros de pequeño. El andamiaje rodea al metal, en este caso el zinc, y previene la formación de los dentríticos que se forman durante las cargas.
Con la capacidad de eliminar la evaporación, aumentar el voltaje y eliminar el crecimiento de dentríticos, “estamos trabajando para alcanzar el nivel siguiente,” afirma Friesen. “Se trata de tomar en consideración todo lo que hemos hecho durante los últimos cuatro años y aplicar ese trabajo en la creación de una batería que tenga el aspecto de una batería de litio, aunque su densidad de energía sea muy superior.”
Esto significaría que el almacenamiento de energía dejaría de ser un factor limitador para la energía renovable, y los coches eléctricos podrían viajar entre 400 y 500 millas (644 y 805 kilómetros) con una única carga, afirma, “a un coste ligeramente superior al de las baterías de plomo-ácido.”