La fabricación de baterías más seguras y potentes que utilizan recursos geopolíticamente estables requiere electrolitos sólidos y reemplazar el litio por sodio. Ahora se ofrece una solución química a los desarrolladores de baterías.
Desorden de simetría. Superficie tridimensional de difusión de iones de sodio en un cristal de hidroborato. Este nuevo material forma una estructura desordenada pero altamente simétrica, lo que permite una movilidad del sodio comparable a la del litio en las baterías comerciales. © UNIGE / Brighi
Las baterías de litio que alimentan nuestros dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos tienen varios inconvenientes. El electrolito, el medio que permite que los electrones y las cargas positivas se muevan entre los electrodos, es un líquido inflamable. Además, el litio del que están hechos es un recurso limitado que es el foco de importantes problemas geopolíticos. Los especialistas en cristalografía de la Universidad de Ginebra (UNIGE) han desarrollado un electrolito sólido no inflamable que funciona a temperatura ambiente. Transporta sodio, que se encuentra en todas partes de la tierra, en lugar de litio. Es una combinación ganadora que también significa que es posible fabricar baterías que son más potentes. Las propiedades de estas baterías «ideales» se basarían en la estructura cristalina del electrolito, un hidroborato formado por boro e hidrógeno.El equipo de investigación de UNIGE ha publicado una caja de herramientas real en la revistaCell Reports Physical Science que contiene la estrategia de fabricación de electrolitos sólidos destinados a desarrolladores de baterías.
El desafío de almacenar energía es colosal para las iniciativas de sostenibilidad. De hecho, el desarrollo de vehículos eléctricos que no emitan gases de efecto invernadero depende de la existencia de baterías potentes y seguras, al igual que el desarrollo de las energías renovables, solar y eólica, depende de las capacidades de almacenamiento de energía. Las baterías de litio son la respuesta actual a estos desafíos. Desafortunadamente, el litio requiere electrolitos líquidos, que son altamente explosivos en caso de una fuga. «Es más, el litio no se encuentra en todas partes del mundo y crea problemas geopolíticos similares a los que rodean al petróleo. El sodio es un buen candidato para reemplazarlo porque tiene propiedades químicas y físicas cercanas al litio y se encuentra en todas partes ”, argumenta Fabrizio Murgia, becario postdoctoral de la Facultad de Ciencias de la UNIGE.
Una temperatura demasiado alta
Los dos elementos, sodio y litio, están cerca uno del otro en la tabla periódica. «El problema es que el sodio es más pesado que su primo litio. Eso significa que tiene dificultades para abrirse camino en el electrolito de la batería », añade Matteo Brighi, becario postdoctoral de UNIGE y primer autor del estudio. Por consiguiente, existe la necesidad de desarrollar electrolitos capaces de transportar cationes como el sodio. En 2013 y 2014, grupos de investigación japoneses y estadounidenses identificaron los hidroboratos como buenos conductores de sodio a más de 120 ° C. A primera vista, esta es una temperatura excesiva para el uso diario de las pilas … ¡pero una bendición para el laboratorio de Ginebra!
Con décadas de experiencia en hidroboratos utilizados en aplicaciones como el almacenamiento de hidrógeno, los cristalógrafos de Ginebra se pusieron a trabajar para reducir la temperatura de conducción. «Obtuvimos muy buenos resultados con excelentes propiedades compatibles con baterías. Logramos utilizar hidroboratos como electrolito desde temperatura ambiente hasta 250 grados Celsius sin problemas de seguridad. Además, resisten mayores diferencias de potencial, lo que significa que las baterías pueden almacenar más energía ”, continúa Radovan Cerny, profesor del Laboratorio de Cristalografía de UNIGE y líder del proyecto.
La solución: un desorden
La cristalografía, una ciencia ubicada entre la mineralogía, la física y la química, se utiliza para analizar y comprender las estructuras de sustancias químicas y predecir sus propiedades. Gracias a la cristalografía, es posible diseñar materiales. Es este enfoque cristalográfico el que se utilizó para implementar las estrategias de fabricación publicadas por el trío de investigadores con sede en Ginebra. «Nuestro artículo ofrece ejemplos de estructuras que pueden utilizarse para crear y alterar los hidroboratos», dice Murgia. La estructura de los hidroboratos permite que emerjan esferas de boro e hidrógeno con carga negativa. Estos espacios esféricos dejan suficiente espacio para que pasen los iones de sodio cargados positivamente. «Sin embargo, como las cargas negativas y positivas se atraen,necesitábamos crear desorden en la estructura para romper los hidroboratos y permitir que el sodio se moviera ”, continúa Brighi.
El artículo es un conjunto de herramientas diseñado para desarrolladores de baterías. Debería dar lugar a una nueva generación de baterías más estables y potentes. Suiza es el hogar de una experiencia genuina que existe gracias a la estrecha colaboración entre UNIGE y EMPA en Dübendorf. Las dos instituciones están trabajando actualmente en la creación de una batería sólida de sodio de 4 V, que será más potente que la 3 V lanzada en 2019. ¡Un auténtico producto «Made in Switzerland»!