Los investigadores han construido un sistema más eficiente batería de potasio-oxígeno más confiable, un paso hacia una solución potencial para el almacenamiento de energía en la red eléctrica del país y baterías de mayor duración en teléfonos celulares y computadoras portátiles.

En un estudio publicado el viernes en la revista Baterías y Supercaps , investigadores de la Universidad Estatal de Ohio detallaron sus hallazgos centrados en la construcción del cátodo de la batería, que almacena la energía producida por una reacción química en una batería de metal-oxígeno o metal-aire. El hallazgo, los investigadores dicen, podría hacer que las fuentes de energía renovable como la solar y la eólica sean opciones más viables para la red eléctrica a través de opciones más económicas, almacenamiento de energía más eficiente.

"Si desea optar por una opción totalmente renovable para la red eléctrica, necesita dispositivos económicos de almacenamiento de energía que puedan almacenar el exceso de energía y devolver esa energía cuando no tenga la fuente lista o en funcionamiento, "dijo Vishnu-Baba Sundaresan, coautor del estudio y profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en el estado de Ohio. "Una tecnología como esta es clave, porque es barato no utiliza materiales exóticos, y se puede hacer en cualquier lugar y promover la economía local ".

Las fuentes de energía renovables no emiten dióxido de carbono, por lo que no contribuyen al calentamiento global, pero proporcionan energía solo cuando brilla el sol o sopla el viento. Para que sean fuentes confiables de energía para la red energética de una región, Es necesario que haya una forma de almacenar el exceso de energía recolectada por el sol y el viento.

Compañías, científicos y gobiernos de todo el mundo están trabajando en soluciones de almacenamiento, que van desde baterías de iones de litio, versiones más grandes de las de muchos vehículos eléctricos, hasta baterías gigantes del tamaño de una tienda grande fabricadas con vanadio metálico.

Las baterías de potasio-oxígeno han sido una alternativa potencial para el almacenamiento de energía desde que se inventaron en 2013. Un equipo de investigadores del estado de Ohio, dirigido por el profesor de química Yiying Wu, demostró que las baterías podrían ser más eficientes que las baterías de litio-oxígeno y, al mismo tiempo, almacenar aproximadamente el doble de energía que las baterías de iones de litio existentes. Pero las baterías de potasio-oxígeno no se han utilizado ampliamente para el almacenamiento de energía porque, hasta aquí, no han podido recargar suficientes veces para ser rentables.

Mientras los equipos intentaban crear una batería de potasio-oxígeno que pudiera ser una solución de almacenamiento viable, seguían encontrándose con un obstáculo:la batería se degradaba con cada carga, nunca dura más de cinco o 10 ciclos de carga, ni mucho menos para hacer de la batería una solución rentable para almacenar energía. Esa degradación ocurrió porque el oxígeno se infiltró en el ánodo de la batería, el lugar que permite que los electrones carguen un dispositivo. ya sea un teléfono celular o una red eléctrica. El oxígeno hizo que el ánodo se rompiera, por lo que la batería ya no podría suministrar una carga.

Paul Gilmore, un candidato a doctorado en el laboratorio de Sundaresan, comenzó a incorporar polímeros en el cátodo para ver si podía proteger el ánodo del oxígeno. Si pudiera encontrar una manera de hacer eso, el pensó, le daría a las baterías de potasio-oxígeno una oportunidad para una vida más larga. Resultó que tenía razón:el equipo se dio cuenta de que la hinchazón del polímero desempeñaba un papel vital en su rendimiento. La clave, Gilmore dijo:estaba encontrando una manera de llevar oxígeno a la batería, necesario para que funcione, sin permitir que el oxígeno se filtre en el ánodo.

Este diseño funciona un poco como los pulmones humanos:el aire ingresa a la batería a través de una capa de carbono fibroso, luego se encuentra con una segunda capa que es un poco menos porosa y finalmente termina en una tercera capa, que es apenas poroso en absoluto. Esa tercera capa hecho del polímero conductor, permite que los iones de potasio viajen a través del cátodo, pero impide que el oxígeno molecular llegue al ánodo. El diseño significa que la batería se puede cargar al menos 125 veces, lo que da a las baterías de potasio-oxígeno más de 12 veces la longevidad que tenían anteriormente con electrolitos de bajo costo.

El hallazgo muestra que esto es posible, pero las pruebas del equipo no han demostrado que las baterías se puedan fabricar en la escala necesaria para el almacenamiento de la red eléctrica, Dijo Sundaresan. Sin embargo, muestra potencial.

Gilmore dijo que también puede existir potencial para que las baterías de potasio-oxígeno sean útiles en otras aplicaciones.

"Las baterías de oxígeno tienen una mayor densidad de energía, lo que significa que pueden mejorar la autonomía de los vehículos eléctricos y la duración de la batería de los dispositivos electrónicos portátiles, por ejemplo, aunque se deben superar otros desafíos antes de que las baterías de potasio-oxígeno sean viables para estas aplicaciones, " él dijo.

Y el hallazgo ofrece una alternativa a las baterías de iones de litio y otras que dependen del cobalto, un material que se ha llamado "el diamante de sangre de las baterías". La extracción del material es tan preocupante que las principales empresas, incluyendo TESLA, han anunciado sus planes para eliminarlo de las baterías por completo.

"Es muy importante que las baterías destinadas a aplicaciones a gran escala no utilicen cobalto, "Dijo Sundaresan.

Y también es importante que la batería se pueda fabricar de forma económica. Las baterías de litio y oxígeno, una posible solución de almacenamiento de energía que se considera una de las opciones más viables, pueden ser costosas, y muchos dependen de recursos escasos, incluido el cobalto. Las baterías de iones de litio que alimentan a muchos autos eléctricos cuestan alrededor de $ 100 por kilovatio hora a nivel de materiales.

Los investigadores estimaron que esta batería de potasio y oxígeno costará alrededor de $ 44 por kilovatio hora.

"Cuando se trata de baterías, Una talla no sirve para todos, ", Dijo Sundaresan." Para las baterías de oxígeno-potasio y oxígeno-litio, el costo ha sido prohibitivo para usarlos como respaldo de energía de la red. Pero ahora que hemos demostrado que podemos hacer una batería tan barata y estable, luego lo hace competir con otras tecnologías para el respaldo de energía de la red.

"Si tienes una batería pequeña y barata, entonces puedes hablar sobre cómo ampliarlo. Si tiene una batería más pequeña que cuesta $ 1, 000 por pop, entonces simplemente no es posible ampliarlo. Esto abre la puerta para ampliarlo ".