Investigadores de la Universidad de Flinders, en Australia, han planteado una alternativa a las baterías de ion-litio con zinc-yodo. Esta alternativa destaca por combinar una vida útil extraordinariamente larga con tiempos de carga extremadamente reducidos. En concreto, el equipo ha desarrollado una batería acuosa de zinc-yodo capaz de superar los 60.000 ciclos de carga y descarga bajo determinadas condiciones de laboratorio. Siendo lo más impresionante de todo que logra una carga completa en apenas tres minutos. Otro punto bastante interesante es que, al utilizar un electrolito basado en agua en lugar de los disolventes orgánicos inflamables, esta química también presenta un riesgo de incendio y fuga térmica considerablemente inferior.
Como siempre ocurre, estas pruebas corresponden a unas celdas experimentales. A ello se le suma que el equipo de investigación apunta inicialmente hacia aplicaciones de almacenamiento energético estacionario a gran escala, donde resulta especialmente importante conseguir baterías baratas, seguras y capaces de soportar enormes cantidades de ciclos. Los investigadores ya están colaborando con la industria para establecer una plataforma de prototipado que permita escalar la tecnología y comprobar si sus prestaciones pueden mantenerse en baterías mucho mayores.
Una batería de zinc-yodo capaz de superar los 60.000 ciclos cargándose en tres minutos
En una de las configuraciones probadas, las celdas funcionaron aproximadamente a 1,3-1,4 voltios, ofreciendo alrededor de 200 mAh/g durante más de 8.000 ciclos y necesitando aproximadamente siete minutos para cargarse completamente. Cuando los investigadores elevaron todavía más la velocidad de carga, redujeron el proceso hasta unos tres minutos, y consiguieron superar los 60.000 ciclos, aunque en este caso la capacidad se situó en aproximadamente 150 mAh/g. Por tanto, los 60.000 ciclos y los tres minutos son cifras reales del experimento, pero corresponden a una condición concreta de ensayo. Es decir, estamos lejos de una batería comercial completa basada en esta tecnología.
Conseguir semejante longevidad ha requerido solucionar uno de los principales problemas históricos de las baterías acuosas de zinc-yodo. Durante la carga y descarga aparecen especies de poliyoduro que pueden desplazarse desde el cátodo a través del electrolito, fenómeno conocido como efecto lanzadera. Cuando esto ocurre, se pierde progresivamente material electroactivo, aumenta la autodescarga y cae la capacidad de la batería. Las soluciones basadas en materiales porosos o aditivos capaces de retener químicamente estos compuestos no habían conseguido eliminarlos de forma suficientemente eficaz debido, entre otros motivos, a diferencias de tamaño o a unas interacciones químicas demasiado débiles.
La solución diseñada por los investigadores consiste en utilizar una red de policiclodextrina creada a partir de ciclodextrinas. Es decir, unos oligosacáridos que pueden obtenerse del almidón y que ya se utilizan en sectores como la alimentación, la cosmética o la industria farmacéutica. Su estructura forma una especie de “jaula molecular” capaz de atrapar los compuestos de yodo, evitando que se desplacen libremente por la batería pero permitiendo al mismo tiempo las reacciones necesarias durante la carga y descarga. El equipo también comprobó mediante experimentación y simulaciones que la β-ciclodextrina ofrece un diámetro interno y una cavidad hidrofóbica especialmente adecuados para retener estos aniones sin inmovilizarlos completamente.
Su diseño también es mucho más seguro respecto al de una batería de litio
La otra gran ventaja de esta química procede precisamente de su carácter acuoso. Las baterías de ion-litio convencionales emplean electrolitos orgánicos inflamables y, ante determinadas averías, daños físicos, defectos de fabricación o temperaturas excesivas, pueden entrar en fuga térmica, generando grandes cantidades de calor y llegando a incendiarse. En una batería acuosa de zinc-yodo el electrolito está fundamentalmente basado en agua, por lo que desaparece una de las principales fuentes de combustible de una celda de ion-litio. Es decir, su química reduce drásticamente el riesgo de incendio y explosión frente a las baterías de iones de litio tradicionales.
El estudio también muestra unas cifras interesantes en cuanto a degradación. El sistema consiguió mecanismos de almacenamiento de dos electrones con hasta 205 mAh/g y de cuatro electrones con hasta 365 mAh/g, mientras que la pérdida de capacidad calculada quedó aproximadamente entre el 0,0001% y el 0,0003% por ciclo, dependiendo del mecanismo empleado. El uso de bromo también permitió mejorar la estabilización química de determinadas especies de yodo. Todo ello explica cómo las celdas pueden mantener su funcionamiento durante decenas de miles de ciclos sin sufrir la rápida degradación asociada tradicionalmente al desplazamiento de los poliyoduros.
A esto se suma que el zinc es abundante, relativamente barato y dispone de una cadena de suministro diferente a la del litio. Por otro lado, el polímero utilizado para controlar el yodo parte de oligosacáridos económicos y biodegradables. El interés resulta especialmente evidente para Australia, que posee aproximadamente entre el 20% y el 28% de las reservas conocidas de zinc a nivel mundal mundo. Sin embargo, la tecnología debe superar el complicado proceso de escalado desde pequeñas celdas de laboratorio hasta baterías completas y demostrar su rendimiento, coste y durabilidad en condiciones reales. Si lo consigue, su destino más lógico no sería sustituir inmediatamente la batería de nuestro móvil, sino formar grandes sistemas de almacenamiento para instalaciones solares, parques eólicos o redes eléctricas, donde poder realizar decenas de miles de ciclos con un riesgo de incendio mucho menor sería una ventaja considerable.
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