Vivimos en un mundo que se electrifica, y la electricidad, si no se consume en el momento, debe almacenarse. Estamos rodeados de aparatos electrónicos que llevan baterías, y los vehículos van dejando atrás los combustibles fósiles para pasar a ser eléctricos. En este contexto, el desarrollo de nuevas baterías sostenibles, con buenas prestaciones, y económicas, es una verdadera necesidad.
Varios grupos de investigación del CSIC trabajan para mejorar los sistemas de almacenamiento y suministro de energía. Bien para buscar materiales más sostenibles y abundantes, bien para buscar sistemas complementarios para satisfacer las futuras necesidades energéticas, o para conseguir sistemas termoeléctricos que pueden alimentar dispositivos sin necesidad de almacenar la energía.
“Las baterías son dispositivos químicos que almacenan energía”, explica M. Rosa Palacín, investigadora del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB). “Una batería está formada por una o varias celdas electroquímicas, que consisten en dos electrodos separados por un electrolito, un líquido que conduce los iones y no conduce la electricidad. Los electrones se transfieren de un electrodo a otro mediante un circuito externo, formando la corriente eléctrica que utilizamos. En paralelo, los iones que compensan esa corriente eléctrica fluyen de un electrodo a otro en el interior de la batería a través del electrolito”, añade.
Durante la descarga, el material del electrodo negativo se oxida (cede electrones) y el del electrodo positivo se reduce (gana electrones). Cuando estas reacciones son reversibles, es posible recargar la batería conectándola a la corriente eléctrica para que ocurra el proceso inverso. La tecnología de baterías recargables más utilizada en los aparatos electrónicos y vehículos eléctricos es la de ion-litio.
“Si llegara a poder usarse litio metálico, las baterías podrían proporcionar mucha más energía”, explica Palacín. “Una de las alternativas con las que se está trabajando es el uso de electrolitos sólidos, aunque en este caso es necesario que las baterías operen a temperatura elevada para que la conducción de los iones sea eficiente, lo cual no es lo más idóneo”, añade.
En cualquier caso, el litio es escaso y caro. Entre las alternativas para poder utilizar un metal como electrodo negativo, pensando en aumentar la densidad energética y considerando criterios de sostenibilidad, estarían el calcio y el magnesio, que son más abundantes y más baratos.
Baterías de calcio y magnesio
La principal ventaja de las baterías de calcio y magnesio es que su densidad de energía es muy elevada, el doble que en las de litio. Y serían más económicas. Como quizá no se podría llegar a potencias similares a las de litio, los investigadores proponen la hibridación de baterías de calcio y magnesio, de alta densidad energética, con supercondensadores de alta potencia.
M. Rosa Palacín y Alexandre Ponrouch, en el ICMAB, trabajan en el desarrollo de los componentes de estas baterías: los dos electrodos y el electrolito. Todavía no se ha conseguido una batería completa, pero se han obtenido electrolitos que mejoran las prestaciones de los electrodos de calcio y magnesio.
“La investigación en este campo se encuentra en un desarrollo inicial, donde se tiene que optimizar cada componente de las baterías por separado” explica Ponrouch. “Teniendo la tecnología del litio ya desarrollada, es una gran ventaja para estudiar los principales retos con los nuevos materiales: la movilidad de los iones en los electrodos y en el electrolito, la sensibilidad de los materiales a la presencia de impurezas o humedad, y los procesos complejos que tienen lugar en las interfaces entre los electrodos y el electrolito”, añade Ponrouch.
Baterías de flujo redox para almacenar energía renovable
Entre los sistema alternativos y novedosos de almacenamiento de energía eléctrica está la batería de flujo redox de vanadio. El CSIC ha dedicado una Plataforma Temática Interdisciplinar (PTI) -una estructura de investigación que agrupa a científicos, empresas y administraciones para resolver problemas sociales de alto impacto- a investigar el desarrollo de las baterías de flujo redox. La plataforma Flowbat, creada en 2019 y coordinada por el investigador Ricardo Santamaría, del Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono (INCAR), ya ha conseguido un prototipo prometedor.
“Poder disponer de baterías de flujo redox con un mayor rendimiento supondrá una importante mejora en el marco del almacenamiento de energía eléctrica a gran escala, que tradicionalmente se ha realizado con tecnologías de bombeo hidroeléctrico y aire comprimido, las cuales plantean serios problemas tanto ambientales como relacionados con el emplazamiento geográfico de sus instalaciones”, explica la investigadora Zoraida González, del mismo centro.
Estas baterías son sistemas electroquímicos de almacenamiento de energía con menor coste e impacto ambiental que otros sistemas, como las baterías de ion-litio. El primer objetivo de la plataforma fue la creación de un demostrador a pequeña escala, la batería de flujo redox de vanadio de 1 kilowatio de potencia. El demostrador está disponible desde junio de 2021, con excelentes resultados.
El siguiente objetivo de la plataforma es el diseño, fabricación, puesta en marcha y testeo en un entorno real de una batería de 50 kilowatios para finales de 2022. Al igual que otras baterías, cuenta con dos electrodos (donde tienen lugar las reacciones redox relacionadas con los procesos de carga y descarga) y con separadores (membranas de intercambio iónico, entre las dos semiceldas). Sus elementos diferenciadores son los dos tanques externos para almacenar los electrolitos.
La modularidad de estas baterías plantea también la posibilidad de emplearlas a menor escala.
La puesta en marcha de la batería de 50 kW en un entorno real demostrará el potencial de la plataforma a la comunidad científica y a los usuarios finales de la tecnología, posicionando tanto al CSIC como a España en el mercado de las baterías de flujo redox, en línea con el Pacto Verde Europeo y los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU.
Generadores termoeléctricos para la internet de las cosas
Luis Fonseca, del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB), trabaja con su equipo en el desarrollo de microestructuras de silicio con las que explotar la temperatura presente en el ambiente para generar electricidad que pueda alimentar sensores de bajo consumo.
Con las tecnologías del silicio se fabrican microgeneradores termoeléctricos que pueden aplicarse a la internet de las cosas y alimentar sensores que puedan funcionar de manera autónoma donde haya una superficie caliente. Utilizados junto a una batería secundaria (recargable), la mantendrían en un estado continuo de carga.
Fonseca explica: “La tecnología de silicio ha protagonizado la revolución tecnológica que ha permitido la Sociedad de la Información y es una tecnología madura basada en un material muy abundante, campeón de la miniaturización y de la fabricación a gran escala”.
Para crear dispositivos termoeléctricos a partir de este material es importante tanto dotarles de una arquitectura que físicamente permita trasladar la diferencia de temperatura ambiental a su interior, como integrar en ellos materiales termoeléctricos compatibles con el silicio. De momento, han conseguido integrar nanohilos de silicio en estructuras de silicio, posibilitando una aproximación realizada enteramente con este material.
“Aunar las tecnologías del silicio con la integración de materiales funcionales ajenos ha supuesto un diálogo entre dos mundos tecnológicos diferentes: la micronanofabricación y los materiales. Es la vía adecuada para poder fabricar a gran escala la cantidad de dispositivos que las aplicaciones de la internet de las cosas demandan con un coste razonable y un impacto medioambiental asumible”, explica Fonseca.
Más allá de las aplicaciones termoeléctricas, pero dentro de la microenergía, el esfuerzo de compatibilización tecnológica de óxidos funcionales ha dado pie a su participación en el proyecto Epistore fabricando microcélulas de combustible que aprovechan el hidrógeno como fuente de energía en sustitución a los combustibles fósiles.
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