El uso de elementos como el litio, el cobalto y el níquel para la fabricación de baterías implica una dependencia de materiales pobres (y, en consecuencia, nocivos), tóxicos y su extracción y procesamiento provoca numerosos problemas medioambientales; Hicieron dos mil litros de agua para extraer 1.000 kilos de litio. Los investigadores buscan urgentemente sustitutos que sean abundantes, renovables, biodegradables, seguros y de bajo costo e impacto ambiental. La solución se puede buscar: el sodio y el calcio, dos elementos abundantes que deben investigarse para evitar que la demanda de litio se multiplique durante 60 años, según las previsiones de la UE.
La imparable proliferación de dispositivos domésticos y portátiles se enfrenta a dos grandes retos: la electrificación de la movilidad y el almacenamiento de energía renovable para proporcionar corriente continua. “No hay suficientes iones de litio, cobalto y níquel para satisfacer las necesidades de todos”, afirma John Abou-Rjeily, investigador de la empresa Tiamat Energy, apoyada por el Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS).
Este doctor en Física y Ciencia de los Materiales investiga, públicamente Horizonte, como alternativa al sodio, uno de los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre y cuyo proceso y uso son, a diferencia del litio, más seguros y protegidos. De lo contrario, se necesita más volumen porque los desarrollos actuales aún no son adecuados para dispositivos pequeños.
También se puede competir con la altura que toman los actuales sistemas de almacenamiento en los coches eléctricos. Pero podrían ser necesarias alternativas en los cajones más bajos, los alcaldes. “Si nunca se pierde la autonomía de 500 kilómetros de las baterías de iones de litio, este tipo de iones de sodio será el más competitivo para nosotros, los más pequeños. Podrías verte más comprometido en distancias cortas y medias en coche, explica Abou-Rjeily.
En la misma línea están investigadores de las universidades Chalmers de Tecnología (Suecia) y Delaware (Estados Unidos), según un estudio publicado en Fuerza. “Existe una tendencia a necesitar una batería realmente grande. Pero después de investigar, generalmente un poco más pequeño, menos probable que un tanque de gasolina sea suficiente, ya que el único momento en que se necesitaría mayor autonomía es para un viaje de seis horas o más, en este caso, el conductor podría cargar en la marcha. . Ha dificultado demasiado la necesidad de una autonomía realmente grande y esto provoca un aumento del precio del vehículo y un mayor uso de recursos para los coches eléctricos”, comenta Frances Sprei, profesora de Chalmers.
Para este doctor en Energía y Medio Ambiente, este cambio de mentalidad es necesario para adaptar las instalaciones de carga donde la gente pasa más tiempo: en casa y en el trabajo. Me gustaría quejarme de que, por el contrario, muchos países europeos se encuentran en el centro de la red de carga en las calles y en las calles.
Este simple cambio en la percepción de las necesidades también impulsará aún más el sodio como alternativa, ya que permitirá trasladarlo a hogares y centros de trabajo como sistemas de almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables. En este sentido se encuentra Magdalena Graczyk-Zajac, profesora de la Universidad Técnica de Darmstadt en Alemania, y parte integral del proyecto europeo SIMBA, que concluye su primera fase el próximo mes de junio.
Si pudieras conducir el coche gratis durante un mes más del año
Magdalena Graczyk-Zajac, profesora de la Universidad Técnica de Darmstadt
El investigador puede almacenar la energía captada por los paneles fotovoltaicos de las viviendas en una batería doméstica recargable de iones de sodio. Esto dará energía a las viviendas y cargará los vehículos eléctricos de tus moradores con una importante reducción de costes. “La coca te la puedes llevar gratis durante uno o varios meses del año”, asegura. El prototipo ya ha sido sometido a pruebas de laboratorio.
Una parte, el nudo, está hecha de carbón duro, que se puede obtener de la madera u otros residuos biológicos. Para el cátodo probamos el blanco Prusia, un compuesto químico procedente de un pigmento azul del mismo nombre, pero con mayor contenido de sodio y hierro, uno de los metales más abundantes.
El gran centro de investigación CIC energiGUNE, tiene un desarrollo propio en este ámbito: un ánodo metálico de sodio con un espesor de sólo seis micras (70 veces más que los actuales) conseguido mediante un proceso de evaporación física. “Este avance”, según este centro, “abre la puerta a la fabricación de baterías flexibles de estado sólido con ánodo de sodio, una alternativa más segura, económica y de menor tamaño a las actuales baterías con electrolito líquido en aquellas que ejemplo de graffiti”.
“El sodio no se puede laminar fácilmente debido a su textura pegajosa, similar a la plastilina”, explica Montse Galcerán, investigadora principal de este proyecto en CIC energiGUNE. “Hasta la fecha, el método más común que se utilizaba para laminar un bloque de sodio era tan básico como procesarlo con un martillo, pero esto hacía que no fuera posible obtener una lámina delgada y homogénea, por lo que sería un gran exceso de sodio no utilizado en las baterías. Gracias a la evaporación podemos superar este obstáculo”, asegura.
Esta adaptación del ánodo permite reducir la cantidad de sodio necesaria, costes, peso y tamaño de las baterías, al tiempo que aumenta la densidad energética (mayor capacidad de almacenamiento) y la seguridad.
Si la materia prima está vacía, las baterías también pueden dañarse.
Rosa Palacín, Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC)
Otro elemento con el que trabajar como sustituto del litio es el calcio. “Es uno de los elementos más abundantes en el corte terrestre y no se concentra en zonas geográficas concretas, como ocurre con el litio. Si la materia prima es barata, también se pueden utilizar las baterías”, afirma Rosa Palacín, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) y parte integral del proyecto CARBAT en Horizon.
El uso de calcio como electrodo negativo ofrece ventajas de venta de primer nivel para las baterías de iones de litio, ya que tienen una mayor capacidad de almacenamiento en kilogramos (densidad de energía) que las baterías de litio convencionales que, además, forman pequeñas estructuras rígidas llamadas dendritas y puede provocar cortocircuitos o tener múltiples usos, según explicó la entidad.
“Cuando el calcio pasa por el electrolito, dos electrones fluyen hacia el exterior, en un solo lugar, como en el caso del litio. Se supone que una batería del mismo tamaño ofrecerá mayor autonomía si se utiliza en un vehículo eléctrico, siempre que se encuentre un electrodo positivo adecuado”, explica Palacín.
La clave es elegir los componentes más adecuados. “Parece que, finalmente, todas las ventas de electrolitos que funcionan contienen boro. Usamos tetrafluoroborato de calcio disuelto en una mezcla de carbonato de etileno y propileno”, especifica el investigador.
Otros investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca buscan en el proyecto SALBAGE, una batería entre un ánodo de aluminio y un cátodo azul. El aluminio también es más abundante que el calcio, pero incorporarlo a una batería con plantas difíciles similares.
“Todos los materiales utilizados son baratos. El aluminio, el azul, los electrolitos y la urea son muy, muy baratos. Incluido el polímero que sea”, asegura el investigador de la universidad danesa Juan Lastra, que defiende esta opción de almacenamiento de energía en un parque eólico o solar.
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