Los científicos apoyados por el SNSF han producido nuevos electrolitos para baterías recargables de sodio y magnesio. El objetivo del grupo de investigación era desarrollar alternativas a la tecnología de iones de litio.
Un proyecto apoyado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF) tiene como objetivo encontrar nuevos materiales que puedan usarse en baterías recargables y eventualmente proporcionar alternativas a las baterías de litio actuales. Las baterías de litio tienen varios inconvenientes, como la disponibilidad limitada de la propia materia prima, así como los numerosos problemas de seguridad, que se asocian principalmente con el uso de un compuesto líquido inflamable. Este problema ha sido ejemplificado por la recurrencia de la explosión de teléfonos móviles.
La reciente investigación dirigida por Arndt Remhof de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales, Empa, demuestra el potencial del sodio y el magnesio en el desarrollo de tecnologías alternativas basadas exclusivamente en elementos sólidos. Su equipo ha producido componentes de batería experimentales basados en estos metales.
Cambiar el material
Investigadores suizos han desarrollado celdas de batería de estado sólido utilizando un compuesto sólido (a diferencia de las celdas que se basan en un electrolito líquido), cuyo diseño plantea un importante problema técnico. Iones, ya sean litio, sodio o magnesio:se debe permitir que se mueva a través de un medio sólido. Al moverse de un polo al otro dentro de la batería, Los iones (carga positiva) facilitan el desplazamiento de electrones (carga negativa) y por tanto la descarga de una corriente eléctrica a través de un circuito externo.
Para facilitar el desplazamiento de iones, los investigadores desarrollaron electrolitos sólidos con estructura cristalina. Sustituyendo el litio por sodio o magnesio, El equipo de Arndt Remhof tuvo que revisar por completo su arquitectura cristalina y utilizar nuevos componentes y procesos de fabricación.
"Siempre me ha gustado comparar nuestro trabajo con el de un entrenador de fútbol", dice Arndt Remhof. "Puede reunir los mejores elementos, pero si no optimiza la configuración, no obtendrá buenos resultados ".
Sodio:un material barato
El equipo de Arndt Remhof ha desarrollado un electrolito sólido que facilita una buena movilidad de los iones de sodio a 20 grados. Este último punto es crucial:los iones requieren una fuente de calor para moverse, e inducir una reacción a temperatura ambiente plantea un desafío técnico. El electrolito tampoco es inflamable y es químicamente estable hasta 300 grados, que aborda las diversas preocupaciones de seguridad asociadas con las baterías de iones de litio. El equipo de Hans Hagemann en la Universidad de Ginebra ha estado trabajando en paralelo para desarrollar tecnología más barata para la producción de este nuevo electrolito sólido.
A diferencia del litio, existen enormes reservas de sodio:es uno de los dos componentes de la sal de mesa. "La disponibilidad es nuestro argumento clave", dice Léo Duchêne de Empa y primer autor del trabajo de investigación. "Sin embargo, almacena menos energía que la masa equivalente de litio y, por lo tanto, podría resultar una buena solución si el tamaño de la batería no es un factor para su aplicación ".
Magnesio:el material perfecto pero complejo
El mismo equipo también ha desarrollado un electrolito sólido a base de magnesio. Hasta ahora, se han realizado muy pocas investigaciones en este campo. El hecho de que sea mucho más difícil poner en movimiento este elemento no significa que sea menos atractivo:está disponible en abundancia, es luz, y no hay riesgo de que explote. Pero mas importante, un ion magnesio tiene dos cargas positivas, mientras que el litio solo tiene uno. Esencialmente, esto significa que almacena casi el doble de energía en el mismo volumen.
Algunos electrolitos experimentales ya se han utilizado para estimular el movimiento de los iones de magnesio, pero a temperaturas superiores a 400 grados. Los electrolitos utilizados por los científicos suizos ya han registrado conductividades similares a 70 grados. "Esta es una investigación pionera y una prueba de concepto, "dice Elsa Roedern de Empa, quien dirigió los experimentos. "Todavía estamos muy lejos de tener un prototipo completo y funcional, pero hemos dado el primer paso importante para lograr nuestro objetivo ".
El proyecto Novel Ionic Conductors reúne a investigadores de Empa, la Universidad de Ginebra, el Instituto Paul Scherrer y el Instituto Henryk Niewodniczanski de Física Nuclear en Polonia. Ha sido financiado por la Swiss National Science Foundation desde 2015 como parte del programa Sinergia, que apoya la investigación colaborativa e interdisciplinaria. "¡Lo que hemos logrado en menos de dos años es bastante extraordinario!" dice Arndt Remhof.
