Nuevos materiales para almacenar la energía

En la actualidad existe un creciente interés en desarrollar nuevos sistemas de almacenamiento de energía eléctrica con diferentes fines, como son sistemas que almacenen la energía producida, sobre todo, mediante fuentes de energía renovables. Un ejemplo claro es la energía fotovoltaica, que necesita almacenar parte de la electricidad producida durante el día para su consumo durante la noche. También el desarrollo de baterías adaptadas a las necesidades del vehículo eléctrico, con elevada potencia, recargables en pocos minutos y que permitan al vehículo una autonomía parecida a la de los vehículos de combustibles fósiles; o baterías usadas en dispositivos electrónicos de pequeño tamaño, las cuales deben tener un alto número de cargas y descargas, que sean de reducido tamaño y un peso mínimo.

Las baterías de metal/aire están compuestas por un electrodo metálico (zinc, litio, aluminio, magnesio, etc.) y otro electrodo que cataliza la reducción del oxígeno del aire. «Esto hace que uno de los materiales activos de la batería, el oxígeno, no esté incluido en la propia batería, sino que el oxígeno necesario penetra en la batería a demanda. Como consecuencia, estas baterías tienen un peso muy reducido y, por tanto, la energía específica (energía dividida entre el peso de la batería) es muy elevada, incluso por encima de las baterías de Ion-Li», como explica Antonio Jesús Fernández Romero, investigador del Grupo de Materiales Avanzados para la Producción y Almacenamiento de Energía de la Universidad Politécnica de Cartagena.

Sin embargo, este tipo de baterías están poco desarrolladas, las únicas que son comercializadas en la actualidad son las de zinc/aire, usadas, entre otras aplicaciones, en audífonos por su poco peso aunque incluso éstas, no son reversibles, por lo que no se pueden recargar.

Según Fernández, «el problema de la recarga de estas baterías radica en que el catalizador que se emplea en el electrodo no es capaz de catalizar la reacción inversa a la reducción del Oxígeno (consumo de O2), es decir, la llamada evolución del O2 (recuperación del O2)».

Por tanto, es importante desarrollar nuevos materiales que sean capaces de catalizar ambas reacciones. Además, los materiales más efectivos para realizar la catálisis de reducción del oxígeno están basados en metales preciosos como platino, paladio, rutenio, etc. que tienen un coste muy elevado, por lo que se busca otros catalizadores que abaraten el coste de los dispositivos finales.

Y en eso trabaja el investigador de la UPCT a través del proyecto 'Síntesis de nuevos electrodos basados en tintas de nanoestructuras de carbón mediante impresión automatizada. Aplicación como electrodos catalizadores de la reducción y/o evolución de oxígeno en baterías metal/aire', financiado por la Fundación Séneca-Agencia de Ciencia y Tecnología de la Región de Murcia.

«Los materiales caracterizados en este proyecto se usarán en baterías de zinc/aire, aunque también se podrían utilizar en otros tipos de baterías metal/aire, así como en celdas de combustible. Por último, los electrodos de aire usados en las baterías metal/aire, son similares a los que se usan en la reducción del oxígeno en una celda de combustible», dice.

En este trabajo, el equipo está analizando nuevos materiales nanoestructurados basados en carbono con o sin óxidos metálicos para ser utilizados como base de los electrodos usados en baterías de metal/aire.

En palabras de Antonio Jesús Fernández: «Los materiales son sintetizados en colaboración con diversos grupos de investigación, como el Instituto de Carboquímica (ICB-CSIC) de Zaragoza y la Universidad Complutense de Madrid. Se han sintetizado diversos materiales nanoestructurados de formas aleotrópicas de carbono, tales como grafenos, óxidos de grafenos, nanotubos de carbono, grafitos, etc. Por otra parte, estos materiales carbonados son dopados con diferentes óxidos metálicos, como Cr2O3, ZnO, MoO3 Bi2O3, etc».

Tanto unos materiales como otros son analizados en su laboratorio para conocer su actividad catalítica hacia la reacción de reducción del oxígeno. También se aborda la catálisis de evolución del oxígeno (obtención del oxígeno en el mismo medio en el que se redujo previamente), haciendo que el material se pueda usar reversiblemente.

Estos materiales son depositados mediante distintas técnicas de impresión para obtener electrodos, que son incorporados en baterías de zinc/aire como electrodos positivos y se probará su aplicabilidad. Hasta la fecha, se han analizado distintos materiales de carbono dopados con nanopartículas de óxido de cromo, de donde se han obtenido unos resultados que han sido enviados para su publicación y actualmente se encuentran en la segunda revisión.

Por otra parte, se está trabajando en la catálisis de diferentes tintas de carbono, las cuales van a ser utilizadas para la fabricación de los electrodos de baterías de zinc/aire. Al mismo tiempo, se han publicado los resultados de otro electrodo compuesto de óxido de bismuto (Bi2O3), el cual se ha aplicado a una batería de Zn/Bi2O3 con electrolito tipo gel. Además, los resultados de esta batería con electrolito líquido están dando resultados muy prometedores que serán publicados en breve. Por último, los investigadores siguen desarrollado nuevos geles poliméricos para ser implementados en nuestras baterías.

«A esto hay que añadir que las medidas dictadas por la actual pandemia han repercutido claramente en el desarrollo de nuestra investigación, lo que ha ocasionado meses de no poder trabajar en el laboratorio, límite de personas en el mismo, etc. Aun así, consideramos que este proyecto se encuentra en un estado avanzado, en el que se han cumplido con más del 60% de los objetivos marcados», como señala el profesor de la Universidad Politécnica de Cartagena.

En la actualidad, el grupo colabora con otros a nivel nacional e internacional. Entre las colaboraciones relacionadas con este proyecto se encuentran el profesor Carlos Díaz-Guerra, del Departamento de Física de Materiales (Universidad Complutense de Madrid); el Grupo de Wolfgang Maser y Ana Benito Moraleja del Instituto de Carboquímica (ICB-CSIS) de Zaragoza; los profesores Juan Pablo Tafur y Antonio Díaz Barrios, de la Universidad Yachay Tech (Ecuador), y el profesor Joaquín González (Universidad de Murcia). Además de la financiación de la Fundación Séneca para este proyecto, el grupo cuenta con el apoyo económico del Ministerio de Ciencia e Innovación.