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Sodio y zinc, alternativas al litio

Desde los coches eléctricos hasta los sistemas de energía eólica y solar, un abanico cada vez más amplio de aplicaciones que consumen mucha energía sigue impulsando la demanda de almacenamiento de energía a gran escala y de bajo coste.

Durante décadas, la investigación se ha concentrado exclusivamente en las baterías más potentes, las de litio, un metal raro y caro. En la actualidad, sin embargo, hay publicaciones científicas pioneras y prototipos muy avanzados de baterías que utilizan otros metales. Los más prometedores son sodio y zinc.

sodio

Sodio, ¿se convertirá en el nuevo litio?

Barato y abundante, el sodio es un candidato prometedor para la nueva tecnología de baterías. Pero, hasta ahora, el limitado rendimiento de las baterías de iones de sodio ha dificultado su aplicación a gran escala. Los potentes prototipos y los innovadores últimos hallazgos parecen indicar que las baterías recargables de iones de sodio podrían ser pronto una alternativa que consume menos recursos y es más barata que las actuales basadas en iones de litio.

Ahora, un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (EEUU) ha desarrollado una batería de iones de sodio con una longevidad mucho mayor en las pruebas de laboratorio. Un cambio ingenioso en los ingredientes que componen el núcleo líquido de la batería evita los problemas de rendimiento que han afectado a las baterías a base de sodio. Los hallazgos, descritos en la revista Nature Energy, brindan una receta prometedora para una batería que algún día pueda alimentar vehículos eléctricos y almacenar energía del sol.

Según el investigador principal Ji-Guang Zhang, un pionero de las tecnologías de baterías con más de 23 inventos patentados en la tecnología de almacenamiento de energía, «hemos demostrado  que las baterías de iones de sodio tienen el potencial de ser una tecnología de baterías de larga duración y respetuosa con el medio ambiente».

En las baterías, el electrolito es la «sangre» circulante que mantiene el flujo de energía. Se forma al disolver sales en disolventes, lo que da lugar a iones cargados que fluyen entre los electrodos positivo y negativo. Con el tiempo, las reacciones electroquímicas que mantienen la energía fluyendo se vuelven lentas, y la batería ya no puede recargarse.

En las tecnologías actuales de baterías de iones de sodio, este proceso ocurre mucho más rápido que en las baterías similares de iones de litio, ya que los electrolitos que utilizan actualmente provocan que la película protectora del ánodo (fundamental porque permite el paso de los iones y preserva la vida de la batería) se disuelva con el tiempo.

El equipo del PNNL abordó ese problema cambiando la solución líquida y el tipo de sal que fluye por ella para crear una receta de electrolito totalmente nueva. Utilizaron una solución naturalmente ignífuga, impermeable a los cambios de temperatura, que puede funcionar a altos voltajes y que forma en el ánodo una capa protectora ultrafina.

En las pruebas de laboratorio, el nuevo diseño demostró ser duradero, ya que mantiene el 90% de la capacidad de su celda después de 300 ciclos a 4,2 V, lo que es más alto que la mayoría de las baterías de iones de sodio que se han registrado anteriormente, debido fundamentalmente a que la capa ultrafina del ánodo se mantiene estable una vez formada.

Por ahora, la tecnología de iones de sodio sigue estando por detrás del litio en cuanto a densidad energética. Pero tiene sus propias ventajas, como la impermeabilidad a los cambios de temperatura, la estabilidad y el largo ciclo de vida, que son valiosas para las aplicaciones de ciertos vehículos eléctricos ligeros e incluso para el almacenamiento de energía en la red en el futuro.

Operaciones en Antamina

Zinc, baterías más ecológicas y más baratas

Debido a su bajo coste y a su respeto por el medio ambiente, las baterías acuosas de zinc tienen el potencial de desempeñar un papel importante en los futuros sistemas de almacenamiento de energía para aplicaciones como la red eléctrica. Además, los ánodos de Zn tienen una gran capacidad teórica, y las baterías son más seguras, ya que no requieren electrolitos orgánicos inflamables.

Sin embargo, hasta ahora, un problema de seguridad ha frenado el progreso de esta tecnología emergente. Cuando la concentración de iones de zinc (Zn2+) en la superficie del ánodo desciende a cero, empiezan a crecer las dendritas. El crecimiento incontrolado de estas estructuras, características de los procesos de crecimiento de los cristales de Zn, deteriora el rendimiento electroquímico y supone una grave amenaza para su funcionamiento seguro.

En un estudio publicado el 28 de julio en Nano Research, investigadores de la  Universidad de Tsinghua presentan una solución que consiste en modificar químicamente el azúcar de mesa común para estabilizar el entorno de los iones de zinc y mejorar las características de seguridad de los dispositivos.

Estudios anteriores ya habían demostrado que el ajuste del entorno del disolvente, llamado «estructura de solvatación»,  puede aumentar la movilidad del Zn2+ en respuesta al campo eléctrico y suprimir con éxito el crecimiento de las dendritas. Sin embargo, estos ajustes —introducción de otras sales o inclusión de menos moléculas de agua—, producían también la disminución de la conductividad iónica del sistema.

Según Meinan Liu, la investigadora principal, «había una brecha de comprensión fundamental entre la estructura de solvatación del Zn2+ y su movilidad. Este era un factor clave que afectaba al crecimiento de las dendritas y a la estabilidad del ánodo de Zn». zinc elemento químico

En un intento de salvar esta brecha, Liu y sus colegas probaron una nueva táctica: introducir azúcar de mesa común con múltiples grupos hidroxilos, es decir, hidrógeno y oxígeno unidos en el electrolito para ajustar la estructura de solvatación del Zn2+. Mediante simulaciones atomísticas y experimentos, el equipo de investigación confirmó que las moléculas de sacarosa mejoraban la movilidad y detenían el crecimiento de dendritas sin comprometer la estabilidad.

Los resultados confirman que las moléculas de sacarosa en la vaina de solvatación no sólo mejoran la movilidad, asegurando una cinética rápida del Zn2+, sino que también protegen el ánodo de Zn de la corrosión del agua y logran con éxito la deposición sin dendritas de Zn y la supresión de la reacción lateral.

Esto demuestra el gran potencial del uso de esta sencilla modificación de la sacarosa para las futuras baterías de zinc de alto rendimiento y acerca el campo de la investigación un paso más al objetivo final de conseguir una batería de Zn segura, ecológica y de alto rendimiento.

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