Un nuevo tipo de batería recargable de metal alcalino y cloro desarrollada en Stanford tiene seis veces más electricidad que las baterías recargables de iones de litio que se utilizan habitualmente en el mercado.
Un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Stanford ha desarrollado baterías recargables que pueden almacenar hasta seis veces más carga que las que se comercializan actualmente.
El avance, detallado en un nuevo artículo publicado el 25 de agosto en la revista Nature, podría acelerar el uso de las baterías recargables y sitúa a los investigadores de baterías un paso más cerca de alcanzar dos de los principales objetivos de su campo: crear una batería recargable de alto rendimiento para permitir que los teléfonos móviles se carguen sólo una vez a la semana en lugar de a diario y que los vehículos eléctricos puedan viajar seis veces más lejos sin necesidad de recarga.
Las nuevas baterías basadas en metal alcalino-cloro, desarrolladas por un equipo de investigadores dirigido por el profesor de química de Stanford Hongjie Dai y el doctorando Guanzhou Zhu, se basan en la conversión química de ida y vuelta del cloruro de sodio (Na/Cl2) o del cloruro de litio (Li/Cl2) en cloro.
Cuando los electrones viajan de un lado a otro en una batería recargable, la recarga devuelve la química a su estado original para esperar otro uso. Las pilas no recargables no tienen esa suerte. Una vez agotadas, su química no puede restablecerse.
“Una pila recargable es un poco como una mecedora. Se inclina en una dirección, pero vuelve a balancearse cuando se le añade electricidad”, explica Dai. “Lo que tenemos aquí es una mecedora que se balancea mucho”.
Descubrimiento fortuito en Stanford
La razón por la que nadie había creado aún una pila recargable de sodio-cloro o de litio-cloro de alto rendimiento es que el cloro es demasiado reactivo y difícil de convertir de nuevo en cloruro con alta eficiencia. En los pocos casos en los que otros han conseguido un cierto grado de recargabilidad, el rendimiento de la pila ha sido escaso.
De hecho, Dai y Zhu no se propusieron crear una pila recargable de sodio y litio-cloro, sino simplemente mejorar las tecnologías de pila existentes utilizando cloruro de tionilo. Este producto químico es uno de los principales ingredientes de las baterías de litio-cloruro de tionilo, que son un tipo popular de batería de un solo uso inventada por primera vez en la década de 1970.
Pero en uno de sus primeros experimentos con cloro y cloruro de sodio, los investigadores de Stanford se dieron cuenta de que la conversión de una sustancia química en otra se había estabilizado de alguna manera, dando lugar a cierta capacidad de recarga. “No creía que fuera posible”, dijo Dai. “Tardamos al menos un año en darnos cuenta de lo que estaba pasando”.
Durante los años siguientes, el equipo dilucidó la química reversible y buscó formas de hacerla más eficiente experimentando con muchos materiales diferentes para el electrodo positivo de la batería.
El gran avance se produjo cuando formaron el electrodo utilizando un avanzado material de carbono poroso de los colaboradores, el profesor Yuan-Yao Li y su estudiante Hung-Chun Tai, de la Universidad Nacional Chung Cheng de Taiwán.
El material de carbono tiene una estructura de nanoesfera llena de muchos poros ultrafinos. En la práctica, estas esferas huecas actúan como una esponja, absorbiendo grandes cantidades de moléculas de cloro que, de otro modo, serían sensibles, y almacenándolas para su posterior conversión en sal dentro de los microporos.
“La molécula de cloro queda atrapada y protegida en los minúsculos poros de las nanoesferas de carbono cuando la batería está cargada”, explica Zhu.
“Luego, cuando la batería necesita ser drenada o descargada, podemos descargar la batería y convertir el cloro para hacer NaCl -sal de mesa- y repetir este proceso durante muchos ciclos. Actualmente podemos hacer ciclos de hasta 200 veces y todavía hay margen de mejora”.
Camino a baterías de alta densidad energética
El resultado es un paso hacia la meta más importante en el diseño de baterías: la alta densidad energética. Los investigadores han conseguido hasta ahora 1.200 miliamperios por hora y gramo de material de electrodo positivo, mientras que la capacidad de las baterías de iones de litio comerciales actuales es de hasta 200 miliamperios por gramo. “La nuestra tiene una capacidad al menos seis veces mayor”, dijo Zhu.
Los investigadores prevén que sus baterías se utilicen algún día en situaciones en las que la recarga frecuente no sea práctica o deseable, como en satélites o sensores remotos.
Muchos satélites, por lo demás utilizables, están ahora flotando en órbita, obsoletos debido a sus baterías agotadas. Los futuros satélites equipados con baterías recargables de larga duración podrían estar equipados con cargadores solares, lo que ampliaría su utilidad muchas veces.
Por el momento, el prototipo que han desarrollado podría ser adecuado para su uso en pequeños aparatos electrónicos de uso cotidiano, como audífonos o mandos a distancia.
Para la electrónica de consumo o los vehículos eléctricos, queda mucho por hacer para diseñar la estructura de la batería, aumentar la densidad energética, ampliar las baterías y aumentar el número de ciclos.
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