Nuevos materiales para baterías de bajo costo

La transición energética depende de las tecnologías que permiten el almacenamiento temporal de electricidad de bajo costo a partir de fuentes renovables. Un nuevo candidato prometedor es la batería de aluminio, que está hecha de materias primas más económicas y abundantes.

Científicos de ETH Zurich y Empa, dirigidos por el profesor Maksym Kovalenko, están en la investigación y el desarrollo de baterías de aluminio. Los investigadores ahora han identificado dos nuevos materiales que podrían generar avances clave en el desarrollo del almacenamiento de energía de este tipo. El primero es un material resistente a la corrosión para los conductores de la batería; el segundo es un recurso novedoso para el polo positivo que se puede adaptar a una amplia gama de requisitos técnicos.

El nitruro de titanio

Como el fluido de electrolito en las baterías de aluminio es extremadamente agresivo y corroe el acero inoxidable, e incluso el oro y el platino, los investigadores están buscando materiales resistentes a la corrosión. Kovalenko y su equipo ha encontrado lo que está buscando en el nitruro de titanio, un material cerámico que exhibe una conductividad suficientemente alta. “Este material se compone de los elementos altamente abundantes de titanio y nitrógeno, y es fácil de fabricar”, explica Kovalenko.

Los científicos han fabricado con éxito baterías de aluminio con partes conductoras hechas de nitruro de titanio en el laboratorio. El material puede producirse fácilmente en forma de películas delgadas, también como revestimiento sobre otros materiales, como láminas de polímero.

Kovalenko cree que también sería posible fabricar los conductores a partir de un metal convencional y recubrirlos con nitruro de titanio, o incluso imprimir pistas de nitruro de titanio conductivo sobre plástico. “Las aplicaciones potenciales del nitruro de titanio no se limitan a las baterías de aluminio. El material también podría usarse en otros tipos de baterías, por ejemplo, en aquellas basadas en magnesio o sodio, o en baterías de iones de litio de alto voltaje”, dice el autor de la I+D.

baterias de aluminio

Células de botón de aluminio del laboratorio. La caja de la batería está hecha de acero inoxidable recubierto con nitruro de titanio en el interior para que sea resistente a la corrosión. (Fotografía: ETH Zurich / Kostiantyn Kravchyk).

Una alternativa al grafito

El segundo material nuevo se puede usar para el electrodo positivo (polo) de las baterías de aluminio. Mientras que el electrodo negativo en estas baterías está hecho de aluminio, el electrodo positivo generalmente está hecho de grafito. Ahora, los investigadores han encontrado un nuevo material que compite con el grafito en términos de la cantidad de energía que una batería puede almacenar.

El material en cuestión es polypyrene, un hidrocarburo con una estructura molecular tipo cadena (polimérica). En experimentos, las muestras del material, especialmente aquellas en las que las cadenas moleculares se juntan de forma desordenada, resultaron ser ideales. “Queda mucho espacio entre las cadenas moleculares, lo que permite que los iones relativamente grandes del fluido electrolítico penetren y carguen fácilmente el material del electrodo”, explican.

Una de las ventajas de los electrodos que contienen polipireno es que los científicos pueden influir en sus propiedades, como la porosidad. El material puede por lo tanto adaptarse perfectamente a la aplicación específica. “Por el contrario, el grafito utilizado en la actualidad es un mineral. Desde la perspectiva de la ingeniería química, no se puede modificar”, dice Kovalenko.

Como tanto el nitruro de titanio como el polipireno son materiales flexibles, los investigadores creen que son adecuados para su uso en “células de estuche” (baterías agrupadas en una película flexible).

Baterías para la transición energética

Una cantidad creciente de electricidad se genera a partir de la energía solar y eólica. Sin embargo, como se necesita electricidad incluso cuando el sol no está brillando y el viento no sopla, se requieren tecnologías, como nuevos tipos de baterías, para almacenar esta electricidad de manera rentable. Aunque las baterías de iones de litio existentes son ideales para la electromovilidad debido a su bajo peso, también son costosas y, por lo tanto, no adecuadas para el almacenamiento económico de energía a gran escala.

Referencias

Walter M, Kravchyk KV, Böfer C, Widmer R, Kovalenko MV: Polypyrenes as High-Performance Cathode Materials for Aluminum Batteries. Advanced Materials 2018, 1705644, doi: 10.1002/adma.201705644

Wang S, Kravchyk KV, Filippin AN, Müller U, Tiwari AN, Buecheler S, Bodnarchuk MI, Kovalenko MV: Aluminum Chloride-Graphite Batteries with Flexible Current Collectors Prepared from Earth-Abundant Elements. Advanced Science 2018, 1700712, doi: 10.1002/advs.201700712

 

2019-03-04T18:19:16+01:00 3 mayo, 2018|