Baterías de agua, escalables, no tóxicas, reciclables, segura y ¡líquida!

Dos líquidos de colores que burbujean al circular a través de una serie de tubos y que son bombeados a través de dispositivos donde tienen lugar reacciones químicas y eléctricas.

Así podrían ser, en su forma más básica, las futuras baterías destinadas a almacenar la electricidad generada mediante fuentes renovables o inagotables como la luz solar, la fuerza del viento, el movimiento de las olas, el calor natural de la tierra o el caudal de un río, según adelantan los especialistas.

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Las denominadas baterías de flujo ‘redox’ (un tipo de reacción química en la que interviene la oxidación de materiales) se conocen desde la década de 1970, explican desde los laboratorios federales suizos Empa, punteros en el desarrollo de esta tecnología.

A diferencia de las baterías de iones de litio convencionales, que almacenan energía en electrodos sólidos, las también llamadas baterías líquidas, la almacenan en depósitos que contienen soluciones de electrolitos (minerales o sustancias disueltas y con carga eléctrica) en estado líquido, explican.

Estas baterías por ahora no son prácticas para teléfonos móviles, camputadoras portátiles o coches, pero son muy prometedoras como sistema de almacenamiento estacionario de energía a gran escala en las ciudades, ya que su velocidad de carga y descarga y capacidad de almacenamiento, puede escalares (ampliarse) de manera sencilla, aumentando el tamaño de sus componentes.

Otro punto a favor de las baterías de flujo ‘redox’ es que, además de no ser tóxicas, son básicamente no inflamables, al utilizar electrolitos a base de agua, a diferencia de las baterías de iones de litio convencionales, en las que se emplean materiales sólidos, según Empa.

AVANCES EN SUIZA

”A medida que utilicemos más energía renovable, necesitaremos almacenarla a gran escala, incluso en áreas urbanas”, señala el investigador de Empa David Reber, que diseña nuevos materiales para optimizar esta tecnología, y resolver la principal limitación que presentan: su densidad energética (cantidad de energía almacenada en un espacio determinado).

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Las baterías de flujo pueden almacenar una cantidad de energía diez veces menor que la que son capaces de almacenar las baterías fabricadas con materiales de almacenamiento sólidos”, explica Reber.

“La densidad energética de una batería de flujo depende de la cantidad de material de almacenamiento que haya disuelto en el líquido, pero si la concentración de ese material es demasiado alta, el líquido se espesa y hace falta mucha más energía para bombearlo”, lo que reduce la eficiencia energética del sistema, según explica el investigador suizo.

Reber quiere resolver este problema en el laboratorio Empa, utilizando un enfoque innovador.

Su objetivo es desarrollar una especie de híbrido entre una batería de flujo y una batería de iones de litio, añadiendo al tanque de la batería de flujo que contiene el material disuelto en el líquido, otros materiales de almacenamiento sólidos, como los que se utilizan en las baterías de los teléfonos móviles, aspirando a que se transfieran energía entre sí.

De esta manera “se podría combinar la alta escalabilidad de las baterías líquidas con la alta densidad energética de las baterías sólidas”, según destaca.

Ahora este científico está investigando distintos pares de materiales de almacenamiento que permitan el intercambio de energía y al mismo tiempo permanezcan estables durante un período prolongado, para que “una batería de flujo redox pueda funcionar durante unos 20 años”, según afirma.

Una de las ideas de Reber consiste en utilizar como material de almacenamiento disuelto unas moléculas orgánicas denominadas quelatos, con las que ya estuvo desarrollando baterías líquidas en la Universidad de Colorado en Boulder (Estados Unidos) recibiendo un prestigioso premio científico por ese trabajo.

”Si este enfoque funciona, las baterías de flujo ‘redox’ serían mucho más fáciles de integrar en áreas urbanas. Solo harían falta unos sistemas de bombeo y algunas tuberías”, concluye el investigador.

INVESTIGACIÓN EN AUSTRALIA

Otro equipo de la Universidad RMIT en Australia, también trabaja en la tecnología de baterías de agua, con otro enfoque, habiendo logrado avances sustanciales.

Al igual que el Empa suizo la RMIT australiana aspira a desarrollar una alternativa al almacenamiento de energía de iones de litio, que domina el mercado debido a su madurez tecnológica pero cuya idoneidad para almacenar energía en redes a gran escala está limitada por preocupaciones de seguridad con los materiales volátiles en su interior, según esta universidad.

El investigador principal, el profesor Tianyi Ma, considera que sus baterías acuosas de iones de metal o ‘baterías de agua’, están a la vanguardia en el campo emergente de los dispositivos de almacenamiento de energía acuosa, con avances que mejoran significativamente el rendimiento y la vida útil de la tecnología.

Su equipo utiliza agua para reemplazar los electrolitos orgánicos, que permiten el flujo de corriente eléctrica entre los terminales positivo y negativo, lo que significa que sus baterías no pueden iniciar un incendio ni explotar, a diferencia de las baterías sólidas de iones de litio, según explica.

“Nuestras baterías se pueden desmontar de manera segura y los materiales se pueden reutilizar o reciclar” y “la simplicidad de sus procesos de fabricación, hace factible su producción en masa”, según el profesor Ma.

Explica que para fabricarlas utilizan materiales como el magnesio y el zinc, que son abundantes en la naturaleza, económicos y menos tóxicos que los utilizados en otros tipos de baterías, lo que ayuda a reducir los costes de fabricación y los riesgos para la salud humana y el medio ambiente”.

Su equipo ha fabricado una serie de baterías de prueba o prototipos a pequeña escala para abordar diversos desafíos tecnológicos, como aumentar la capacidad de almacenamiento de energía y la vida útil de las baterías de agua.

Uno de los avances clave este campo, conseguidos por Tianyi Ma, ha sido impedir que en las baterías acuosas se formen ‘dendritas disruptivas’, unas formaciones metálicas puntiagudas que pueden provocar cortocircuitos y otras fallas graves.

Para conseguirlo, su equipo cubrió las partes afectadas de la batería con un metal llamado bismuto y su óxido como capa protectora que impidió la formación de dendritas, con lo que ahora “sus baterías duran mucho más y son comparables a las baterías de iones de litio comerciales del mercado”, asegura.

El profesor Ma asegura que la batería de agua del RMIT está ayudando a reducir la brecha que existe con la tecnología de iones de litio en términos de densidad energética.

Recientemente han fabricado “una batería de agua con iones de magnesio que tiene una densidad energética de 75 vatios-hora por kilogramo (Wh kg-1), lo que representa hasta un 30 % de la densidad energética que tienen las últimas baterías de los coches Tesla”, según puntualiza.

Explica que “el siguiente paso será aumentar la densidad energética de las baterías de agua, desarrollando nuevos materiales de electrodos”, un campo similar al que se está dedicando David Reber, del Empa suizo.

“El material elegido para las futuras baterías de agua será probablemente el magnesio, que es más liviano que metales alternativos como el zinc y el níquel, tiene una mayor densidad de energía potencial y permitirá que las baterías se carguen más rápido y tenga una mejor capacidad para soportar dispositivos y aplicaciones que consumen mucha energía”, concluye.

Las baterías de agua son ideales para aplicaciones a gran escala, como el almacenamiento en red y su integración con las energías renovables, según Ma. De hecho, su equipo ha integrado sus prototipos con éxito a paneles solares, observando que almacenan la energía fotovoltaica de manera estable y eficiente

DESTACADOS:

- Las baterías de flujo ‘redox’ basadas en agua podrían ser una buena solución para almacenar de manera segura y duradera la energía generada por fuentes renovables. Investigadores del laboratorio suizo Empa diseñan nuevos materiales para ampliar su capacidad de almacenamiento y poder utilizarlas a gran escala.

- El investigador David Reber del centro suizo Empa desarrolla un sistema híbrido que combina el material disuelto en baterías líquidas con el de baterías sólidas convencionales, para obtener una batería que pueda funcionar durante 20 años e integrarse en la ciudades usando “solo un sistema de bombeo y unas tuberías”.

- Otro equipo de investigadores, liderado por la universidad australiana RMIT, desarrolla baterías de agua reciclables que no se incendian ni explotan y se mantienen frías bajo presión, como alternativa a las baterías de iones de litio, que llevan materiales volátiles en su interior y generan preocupaciones de seguridad.

Por Ricardo Segura EFE-Reportajes.