Metales abundantes desafían al litio, rey del almacenamiento de energía eléctrica

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.

“El potencial de la celda es la diferencia entre los potenciales de los electrodos y depende de los materiales que se utilicen en cada uno de ellos. La capacidad de las baterías (la energía que pueden proporcionar) depende también de cuáles sean esos materiales”, detalla Palacín.

Se expresa por unidad de peso/volumen y está determinada por el contenedor y por el diseño de los electrodos, que contienen, además del material activo, aditivos para mejorar su conductividad o para mantener la estabilidad mecánica.

La tecnología de baterías recargables más utilizada en los aparatos electrónicos y vehículos eléctricos es la de ion-litio. Es una familia de tecnologías, ya que se usan diversos materiales para los electrodos. En el negativo suele utilizarse grafito, ya que el litio metálico da problemas de seguridad, y en el positivo se utilizan óxidos o fosfatos de metales de transición.

“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.

Cristales de vanadio obtenidos mediante electrólisis. / Boris Lobastov

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.

La aplicación quizá más inmediata sería el almacenamiento de energía estacionaria (el exceso generado por la energía solar, por ejemplo). Así permitiría incrementar la difusión de las energías renovables, ya que el coste del kilowatio por hora y la posibilidad de producción de baterías a gran escala son determinantes para este tipo de almacenamiento. 

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. “También investigamos los procesos de las interfaces entre los electrodos y el electrolito, ya que tienen una gran influencia en la potencia y en el número de ciclos de cargas/descargas que pueden proporcionar las baterías”, indica Ponrouch.

Además, estudian la cinética de electrodeposición de los iones de calcio y magnesio, y buscan compuestos capaces de reaccionar con estos iones de manera reversible para el electrodo positivo, con el objetivo de conseguir que el proceso de carga y descarga de las baterías sea fácil y rápido. Se estudian compuestos inorgánicos y orgánicos para los electrodos, y se han conseguido varias decenas de ciclos de carga y descarga. 

“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.

La investigación de las baterías de calcio en el ICMAB se aceleró en 2013 con financiación de Toyota Motor Europe para explorar la viabilidad de esta tecnología. Desde 2017, Ponrouch y Palacín cuentan con varios proyectos europeos para estudiar el desarrollo de los electrodos y electrolitos de calcio y magnesio. Participan en la plataforma europea Battery2030+, que agrupa centros de investigación en el desarrollo de nuevas baterías sostenibles.

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. Esta puede considerarse un módulo precomercial. El objetivo es que todos los componentes de la batería sean diseñados, optimizados y fabricados por los grupos del CSIC miembros de la plataforma Flowbat.

Al igual que otras baterías, cuenta con dos electrodos (donde tienen lugar las reacciones redox relac ionadas 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. En cada uno de los electrolitos se hallan disueltas las especies electroactivas de vanadio, que son bombeadas hacia la batería por sendas bombas. En este tipo de baterías, las reacciones redox de dichas especies están relacionadas con la carga y descarga de la batería.

“En esta tecnología, la energía se almacena en los electrolitos y no en los electrodos, como sucede en otras baterías recargables. Este hecho aporta una mayor ciclabilidad a la batería gracias al menor desgaste de los electrodos”, explica González. El empleo de especies de vanadio en distintos estados de oxidación en ambas semiceldas garantiza una menor autodescarga del dispositivo global. Finalmente, el carácter modular de este tipo de baterías es otra gran ventaja ya que permite diseñar, de manera independiente, la energía y la potencia.

La modularidad de estas baterías plantea también la posibilidad de emplearlas a menor escala. A corto y medio plazo podrían encontrarse baterías de flujo redox a nivel doméstico (acopladas, por ejemplo, a un sistema de placas solares para garantizar el suministro eléctrico sostenible y de calidad en casa) o también en sistemas aislados, donde el acceso a la energía pudiera ser limitado, como en islas.

Para cumplir con los objetivos de la plataforma Flowbat se creó un equipo multidisciplinar orientado a conseguir un dispositivo eficiente a nivel técnico y económico optimizado todos sus elementos, tanto científicos como de diseño y fabricación. Una de las mejoras en la que están trabajando es el desarrollo de nuevas baterías basadas en hierro, un mineral más abundante, económico y fácil de obtener que el vanadio. 

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.

Este proyecto cuenta con financiación de la UE a través del Mecanismo de Recuperación y Resiliencia (Next Generation EU) y de la Red Europea de Infraestructuras de Investigación. Cuenta con varias empresas interesadas que podrían fabricar a gran escala los componentes de la batería o la propia batería, y compañías eléctricas que podrían introducir las energías renovables en el mix energético. 

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.

Esta tecnología se encuentra en desarrollo y se basa en el silicio. 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.

“Esta tecnología tiene dos retos. Uno es mejorar la efectividad térmica del dispositivo, es decir, que todo el gradiente térmico externo esté disponible para su conversión por el material termoeléctrico”, explica Fonseca. Mejorar esto implica integrar, además, un intercambiador de calor, y hacerlo con un procedimiento automatizado y preciso. Para ello utilizan técnicas de electrónica impresa y prototipado rápido. 

“Los nanohilos de silicio reúnen las tres propiedades que un buen material termoeléctrico necesita: al ser un material semiconductor tiene un buen coeficiente de conversión de temperatura a electricidad, una conductividad eléctrica suficientemente alta, y, al ser su diámetro nanométrico, una conductividad térmica baja”, añade el investigador.

El otro reto es ampliar el abanico de materiales termoeléctricos compatibles con el silicio más allá de los nanohilos, tales como capas delgadas de aleaciones de silicio o de óxidos funcionales, materiales que no contienen elementos tóxicos ni materias primas escasas o inasequibles.

“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.

La idea de esta actividad surgió de un proyecto Explora (un programa nacional de proyectos de alto riesgo) y ha conseguido para su desarrollo financiación europea (proyecto Synergy, coordinado por el IMB) y nacional (proyectos Ugenterm y Minauto). Para el estudio de la integración de óxidos funcionales en las microestructuras están participando en el proyecto europeo Harvestore.