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Energía

Una batería con electrodos líquidos que se puede recargar y rellenar

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ARPA-E financia varios proyectos que usan electrodos líquidos para reducir los costes y aumentar la densidad energética

  • por Kevin Bullis | traducido por Lía Moya
  • 19 Febrero, 2014

Foto: La químico del Laboratorio Nacional Argonne Elena Timofeeva prepara un experimento para probar un electrodo líquido (que se puede observar dentro de la bolsa).

Un nuevo tipo de batería almacena la energía en lo que los investigadores denominan "combustible recargable", unos electrodos en estado líquido. El resultado se puede recargar como una batería convencional, o ser sustituido mediante el bombeo de nuevo combustible como la gasolina.

En teoría los materiales podrían permitir a un coche eléctrico hacer 900 kilómetros con una carga, cinco veces más de lo que son capaces la mayoría de los vehículos eléctricos actuales, según los investigadores que desarrollan la tecnología y que están en el Laboratorio Nacional Argonne en el Instituto Tecnológico de Illinois (EEUU). Sustituir el líquido de los electrodos en una estación de servicio tardaría apenas unos minutos. En comparación, incluso las estaciones de carga más rápidas para las baterías convencionales tardan una hora en dar una carga completa.

La autonomía limitada y los largos tiempos de carga son dos de los grandes retos a los que se enfrentan los coches eléctricos. Los electrodos líquidos podrían servir para ampliar la autonomía de los vehículos al aumentar la cantidad de energía que son capaces de almacenar las baterías y, como harían falta menos componentes para almacenar energía, también podría servir para que fueran más baratos.

Además, las baterías de electrodos líquidos también pueden ser más seguras que las convencionales, según el gestor de programas de la agencia que financia este estudio, la Agencia de Proyectos Avanzados de Investigación en Energía (ARPA-E por sus siglas en inglés), Ping Liu. Los materiales de los electrodos positivo y negativo se almacenarían en tanques separados y no dentro de la misma celda de batería como sucede en las baterías convencionales. Esto podría impedir los cortocircuitos y el calentamiento que pueden hacer que las baterías de ion litio se incendien.

Los combustibles recargables aún están en las primeras fases de investigación, pero a ARPA-E le parecen lo suficientemente prometedores, y ha anunciado que financiará a cuatro grupos que están desarrollando la tecnología. Además del proyecto de Illinois, la agencia también respalda proyectos de General Electric, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables y de 24M una spin-off del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés).

Por el momento los investigadores de Illinois han hecho una demostración con una pequeña batería de "media celda" que usa un electrodo líquido y uno sólido. Para su proyecto para ARPA-E, que ha recibido 3,4 millones de dólares de financiación (unos 2,5 millones de euros) y que empezó el mes pasado, planean construir un prototipo que usa líquido para ambos electrodos, tanto el negativo como el positivo. Esta batería debería poder almacenar un kilovatio-hora de energía, lo suficiente para conducir unos cuantos kilómetros.

En las baterías de los coches eléctricos convencionales, hasta un 75% del material que contiene la batería consiste en componentes que no almacenan energía: el empaquetado de las celdas, sensores, conexiones eléctricas, sistemas de enfriado y demás. Para almacenar energía líquida, al menos en teoría, gran parte de esos materiales se pueden eliminar, lo que reduce el tamaño y el coste de las baterías.

La clave es separar los materiales que almacenan energía de las estructuras que se usan para extraerla y crear una corriente eléctrica. En una batería convencional cada capa de material de electrodo se empareja con una lámina de aluminio y una membrana plástica que permite a los electrones e iones fluir, creando una corriente eléctrica. Si quieres almacenar más energía, tienes que añadir más capas de aluminio y plástico.

En la nueva batería, los electrodos líquidos se almacenarían en tanques y se bombearían a través de un dispositivo relativamente pequeño para interactuar y generar electricidad. Para aumentar el almacenamiento de energía sólo habría que hacer los tanques de almacenado más grandes; el dispositivo donde se genera la electricidad podría seguir teniendo el mismo tamaño. Cuanto más grandes sean los tanques, menor proporción del volumen total ocuparía del dispositivo generador de energía.

Los electrodos líquidos no son algo nuevo, llevan tiempo usándose por ejemplo como parte de unos dispositivos que se llaman baterías de flujo, pero suelen almacenar la energía en una dilución que necesita demasiado volumen como para poder usarla en un coche. Algunas baterías tienen electrodos fundidos que están mejor adaptados a aplicaciones fijas. (ver "Baterías gigantes para un nuevo tipo de red eléctrica"). Cada uno de los proyectos de ARPA-E tiene como objetivo encontrar formas de aumentar la densidad energética de los líquidos en un orden de magnitud. La spin-off del MIT, 24M, es pionera en este campo, pues ya ha demostrado que se pueden suspender concentraciones altas de polvos de electrodo convencionales densos en energía en un líquido y extraer energía de ellos (ver "Una batería de coche a mitad de precio"). El principal desafío es lograr una conductividad eléctrica lo suficientemente alta para que dé lugar a una batería práctica.

Los investigadores de Illinois siguen un enfoque parecido. Hacen hincapié en el uso de polvos a nanoescala que se pueden suspender en concentraciones muy altas y aún así fluir con facilidad, gracias a las propiedades específicas de las partículas a una escala tan pequeña. También han desarrollado una forma nueva de extraer corriente eléctrica de las partículas, y esperan que esto les permita aumentar la conductividad. Los detalles se mantendrán en secreto hasta que no hayan presentado todas las patentes.

Las baterías con electrodos líquidos tienen algunos inconvenientes potenciales. las nanopartículas se pueden degradar rápidamente, y los investigadores sólo acaban de empezar a diseñar todo el sistema. Necesitan dar con un mecanismo para bombear los materiales de forma eficiente y otro para fabricar la batería de forma barata. Y para recargar los coches rellenando los tanques con material nuevo habría que instalar una nueva infraestructura, lo que puede resultar caro.

Mientras tanto, las baterías convencionales son cada vez más baratas y las mejoras en la tecnología están haciendo que sean cada vez más rápidas de recargar (ver "Tesla está a la cabeza de la innovación en los coches eléctricos" y "Tesla quiere cargar los coches eléctricos en cinco minutos").

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