Construyen Batería de Potasio y Oxígeno ¿Mejor batería creada?

En un estudio publicado el viernes en la revista Baterías y Supercápsulas. , investigadores de la Universidad Estatal de Ohio detallaron sus hallazgos centrados en la construcción del cátodo de la batería, que almacena la energía producida por una reacción química en una batería de metal-oxígeno o metal-aire.

El hallazgo, dicen los investigadores, podría hacer que las fuentes de energía renovable como la energía solar y eólica sean opciones más viables para la red eléctrica a través de un almacenamiento de energía más barato y eficiente.

«Si desea optar por una opción totalmente renovable para la red eléctrica, necesita dispositivos económicos de almacenamiento de energía que puedan almacenar el exceso de energía y devolverla cuando no tenga la fuente lista o funcionando», dijo Vishnu. Baba Sundaresan, coautora del estudio y profesora de ingeniería mecánica y aeroespacial en el estado de Ohio.

«Una tecnología como esta es clave, porque es barata, no utiliza ningún material exótico, y se puede hacer en cualquier lugar y promover la economía local».

Las fuentes de energía renovable no emiten dióxido de carbono, por lo que no contribuyen al calentamiento global, sino que proporcionan energía solo cuando el sol brilla o el viento sopla.

Para que sean fuentes de energía confiables para la red de energía de una región, debe haber una forma de almacenar el exceso de energía obtenida de la luz solar y el viento.

Compañías, científicos y gobiernos de todo el mundo están trabajando en soluciones de almacenamiento, que van desde baterías de iones de litio (versiones más grandes de muchos vehículos eléctricos) hasta baterías gigantes del tamaño de una tienda de cajas grandes fabricadas con metal de vanadio.

Las baterías de potasio y oxígeno han sido una alternativa potencial para el almacenamiento de energía desde que se inventaron en 2013.

Un equipo de investigadores del Estado de Ohio, dirigido por el profesor de química Yiying Wu, demostró que las baterías podrían ser más eficientes que las baterías de litio y oxígeno mientras se almacenan simultáneamente, aproximadamente el doble de energía que las baterías de iones de litio existentes.

Pero las baterías de potasio y oxígeno no se han utilizado ampliamente para el almacenamiento de energía porque, hasta ahora, no han podido recargarse lo suficiente como para ser rentables.

Cuando los equipos intentaron crear una batería de potasio y oxígeno que podría ser una solución de almacenamiento viable, siguieron corriendo hacia un bloqueo: la batería se degradó con cada carga, y nunca duró más de cinco o 10 ciclos de carga, lo suficiente como para que la batería Una solución rentable para almacenar energía.

Esa degradación ocurrió porque el oxígeno se introdujo en el ánodo de la batería, el lugar que permite a los electrones cargar un dispositivo, ya sea un teléfono celular o una red eléctrica. El oxígeno causó que el ánodo se descomponga, lo que hace que la batería ya no pueda suministrar una carga.

Paul Gilmore, un doctorando en el laboratorio de Sundaresan, comenzó a incorporar polímeros en el cátodo para ver si podía proteger el ánodo del oxígeno. Si pudiera encontrar una forma de hacerlo, pensó, le daría a las baterías de potasio y oxígeno una oportunidad de vida más larga.

Resultó que tenía razón: el equipo se dio cuenta de que la hinchazón en el polímero desempeñaba un papel vital en su desempeño. La clave, dijo Gilmore, era encontrar una manera de llevar oxígeno a la batería, necesaria para que funcione, sin permitir que el oxígeno se filtre en el ánodo.

Este diseño funciona un poco como los pulmones humanos: el aire ingresa a la batería a través de una capa de carbono fibroso, luego se encuentra con una segunda capa que es un poco menos porosa y finalmente termina en una tercera capa, que es apenas porosa.

Esa tercera capa, hecha del polímero conductor, permite que los iones de potasio viajen a través del cátodo, pero restringe la entrada de oxígeno molecular al ánodo.

El diseño significa que la batería se puede cargar al menos 125 veces, lo que da a las baterías de potasio y oxígeno más de 12 veces la longevidad que tenían anteriormente con electrolitos de bajo costo.

El hallazgo muestra que esto es posible, pero las pruebas del equipo no han demostrado que las baterías se puedan hacer en la escala necesaria para el almacenamiento de la red eléctrica, dijo Sundaresan. Sin embargo, muestra potencial.

Gilmore dijo que también puede existir un potencial para que las baterías de potasio y oxígeno sean útiles en otras aplicaciones.

«Las baterías de oxígeno tienen una mayor densidad de energía, lo que significa que pueden mejorar el rango de los vehículos eléctricos y la duración de la batería de los dispositivos electrónicos portátiles, por ejemplo, aunque deben superarse otros desafíos antes de que las baterías de potasio y oxígeno sean viables para estas aplicaciones», dijo.

Y el hallazgo ofrece una alternativa a las baterías de iones de litio y otras que dependen del cobalto, un material que se ha llamado «el diamante de sangre de las baterías».

La extracción del material es tan preocupante que las grandes empresas, incluida TESLA, han anunciado sus planes para eliminarlo por completo de las baterías.

«Es muy importante que las baterías destinadas a aplicaciones a gran escala no utilicen cobalto», dijo Sundaresan.

Y también es importante que la batería se pueda hacer de forma económica. Las baterías de litio y oxígeno, una posible solución de almacenamiento de energía que se considera una de las opciones más viables, pueden ser caras y muchas dependen de recursos escasos, incluido el cobalto.

Las baterías de iones de litio que alimentan a muchos automóviles eléctricos cuestan alrededor de $ 100 por kilovatio / hora en el nivel de materiales.

Los investigadores estimaron que esta batería de potasio y oxígeno costará alrededor de $ 44 por kilovatio / hora.

«Cuando se trata de baterías, una talla no se ajusta a todas», dijo Sundaresan. «Para las baterías de potasio-oxígeno y litio-oxígeno, el costo ha sido prohibitivo para usarlas como respaldo de energía de la red.

Pero ahora que hemos demostrado que podemos hacer una batería tan barata y estable, entonces la hace competir con otras Tecnologías para el respaldo de la red eléctrica.

«Si tiene una batería pequeña que es barata, entonces puede hablar de aumentar la escala. Si tiene una batería pequeña que cuesta $ 1,000, entonces no es posible ampliarla. Esto abre la puerta para ampliarla. »