Desde hace algún tiempo, los expertos en energía insisten en que necesitaremos mucha más energía limpia en el futuro si queremos sustituir las fuentes de combustibles fósiles y reducir las emisiones de CO2. Por ejemplo, los coches eléctricos tendrán que sustituir a los coches de gasolina que circulan por nuestras carreteras. Sin embargo, para que los coches eléctricos recorran distancias mayores o los teléfonos móviles permanezcan cargados durante más tiempo, necesitaremos baterías mejores y en mayor cantidad. En la transición a las fuentes de energía renovables, los acumuladores también desempeñan un papel clave al almacenar el excedente de energía de los aerogeneradores o las centrales solares y compensar las fluctuaciones del suministro energético.
En este sentido, los investigadores buscan diligentemente nuevos materiales que ofrezcan una mayor densidad energética y capacidad de carga, pero que no sean más pesados ni voluminosos que los utilizados en las baterías de iones de litio actuales. Las baterías actuales suministran energía de forma fiable a nuestros teléfonos inteligentes, coches eléctricos y ordenadores portátiles, pero no pueden seguir el ritmo de las crecientes exigencias que se les imponen. El Dr. Semih Afyon, científico del Instituto de Materiales Electroquímicos, resume la idea fundamental que impulsa la investigación sobre baterías: «Lo que necesitamos es una nueva química y compuestos novedosos para obtener baterías seguras, mejores y más duraderas».
Partículas de vidrio en lugar de cristales
Investigadores de ETH, dirigidos por Afyon y Reinhard Nesper, profesor emérito de química, han realizado un descubrimiento. A lo largo de varios años de investigación, descubrieron un material que podría tener el potencial de duplicar la capacidad de las baterías: vidrio de vanadato-borato. Los investigadores utilizan el vidrio como material catódico, según informaron recientemente en Scientific Reports, una revista de la editorial Nature.
El material está hecho de precursores de óxido de vanadio (V2O5) y borato de litio (LiBO2), y se recubrió con óxido de grafito reducido (RGO) para mejorar las propiedades del electrodo. Los investigadores utilizaron un compuesto a base de vanadio porque este es un metal de transición con varios estados de oxidación, que pueden aprovecharse para alcanzar capacidades mayores. En forma cristalina, el pentóxido de vanadio puede aceptar tres iones de litio con carga positiva, tres veces más que los materiales que se utilizan actualmente en los cátodos, como el fosfato de hierro y litio.
Sin embargo, el pentóxido de vanadio cristalino no puede liberar todos los iones de litio insertados y solo permite unos pocos ciclos estables de carga y descarga. Esto se debe a que, una vez que los iones de litio penetran en la red cristalina durante el proceso de carga, la red se expande. Como resultado, la partícula del electrodo se hincha en su conjunto, es decir, aumenta de volumen y vuelve a encogerse cuando las cargas abandonan la partícula. Este proceso puede provocar inestabilidades en el material del electrodo, en forma de cambios estructurales y pérdidas de contacto.
Por ello, los investigadores tuvieron que encontrar una manera de conservar la estructura del material inicial y, al mismo tiempo, maximizar la capacidad y mantener su aptitud para «aceptar» las cargas. Así idearon utilizar vanadio en forma de vidrio en lugar de en su forma cristalina. En el vidrio, un material llamado «amorfo», los átomos no se organizan en una red regular como cuando están en estado cristalino. En cambio, los átomos se encuentran en un estado de gran desorden.
Producción sencilla y económica
Para producir el material catódico, Afyon y sus colegas mezclaron pentóxido de vanadio en polvo con compuestos de borato. «El borato es un formador de vidrio; por eso se utilizaron los compuestos de borato, y el compuesto de vidrio resultante es un nuevo tipo de material, que al final no es ni V2O5 ni LiBO2», afirma el investigador. Los científicos de materiales fundieron el polvo a 900°C y enfriaron la masa fundida lo más rápido posible para formar vidrio. Después trituraron las láminas resultantes, del grosor de una hoja de papel, hasta convertirlas en polvo antes de utilizarlas, ya que esto aumenta su superficie y crea espacio poroso. «Una gran ventaja del vidrio de vanadato-borato es que su fabricación es sencilla y económica», afirma Afyon. Se espera que esto aumente las posibilidades de encontrar una aplicación industrial.
Para producir un electrodo eficiente, el investigador recubrió el polvo de vanadato-borato con óxido de grafito reducido (RGO). Esto aumenta la conductividad y, al mismo tiempo, protege las partículas del electrodo. Sin embargo, no dificulta el transporte de electrones e iones de litio a través de los electrodos.
Afyon utilizó este polvo de vidrio de vanadato-borato para los cátodos de las baterías, que luego colocó en prototipos de baterías de tipo botón para someterlos a numerosos ciclos de carga y descarga.
Hasta el doble de energía
En los ensayos iniciales con electrodos de vanadato-borato que no estaban hechos de material recubierto con RGO, la capacidad de descarga cayó drásticamente después de 30 ciclos de carga y descarga, cuando la intensidad de corriente se aumentó a 400 miliamperios por gramo. En cambio, con el recubrimiento de RGO, la capacidad se mantuvo bastante estable a intensidades altas y permaneció en un nivel constantemente elevado después de más de 100 ciclos de carga y descarga.
Una batería con un electrodo de vidrio de vanadato-borato recubierto con RGO presentó una densidad energética de alrededor de 1000 vatios-hora por kilogramo. Alcanzó una capacidad de descarga muy superior a 300 mAh/g. Al principio, esta cifra llegó incluso a 400 mAh/g, pero descendió a lo largo de los ciclos de carga y descarga.
«Esta cantidad de energía bastaría para que un teléfono móvil funcionara entre 1,5 y dos veces más tiempo que con las baterías de iones de litio actuales», calcula Afyon. También podría aumentar en una vez y media la autonomía de los coches eléctricos con respecto a la cifra estándar. Estas cifras siguen siendo teóricas.
Patente y desarrollo posterior
Los investigadores ya han solicitado una patente para su nuevo material. También colaboraron con socios industriales en su desarrollo. «Nos centramos tanto en las aplicaciones prácticas como en la investigación fundamental», afirma el investigador. Por lo general, un concepto nuevo tarda entre 10 y 20 años en abrirse camino en el mercado.
Los resultados positivos del investigador con el vidrio de vanadato-borato lo han animado a continuar sus investigaciones en este ámbito. Actualmente, Afyon trabaja como responsable de proyecto en un consorcio de investigación dirigido por Jennifer Rupp, profesora de materiales electroquímicos, centrado en desarrollar una innovadora batería de estado sólido. Ya están utilizando y probando el electrodo de vanadato-borato en este sistema, y el siguiente paso es optimizarlo. En particular, tienen que aumentar significativamente el número de ciclos de carga y descarga, lo que podría lograrse mejorando el diseño de la batería y de los electrodos, así como utilizando recubrimientos distintos del óxido de grafito reducido.
Este artículo se publica en colaboración con ETH Zurich. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Peter Rüegg estudió Biología en ETH Zurich, con especialización en Ecología, Fitogeografía y Biosistemática.
Imagen: Baterías en un contenedor de recogida en un centro de reciclaje de Londres, 8 de diciembre de 2009. REUTERS/Kevin Coombs.
