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Energy Storage

Nuevas baterías para la red eléctrica

Un diseño con manganeso e hidrógeno presume de alta capacidad, larga duración y promete un coste bajo.

by Prachi Patel, special to C&EN
May 4, 2018 | APPEARED IN VOLUME 96, ISSUE 19

 

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Credit: Nat. Energy
Al cargar la nueva batería, los iones de manganeso (rojo) del sulfato de manganeso del electrolito se depositan en la estructura de fibra de carbono (verde) en el cátodo, mientras el catalizador de platino (amarillo) en la fibra anódica (morado) produce hidrógeno gas a partir de agua. El proceso contrario ocurre cuando se descarga la batería.

Una nueva batería hecha con manganeso e hidrógeno podría ser fácilmente escalable para almacenar energía en la red eléctrica, según dicen los investigadores. La batería almacena gran cantidad de energía, es de larga duración y su coste podría resultar muy competitivo.

Encontrar la batería perfecta para la red eléctrica es todavía el santo grial de los investigadores. La batería ideal debería concentrar mucha energía en un volumen muy pequeño y, según los requisitos del departamento de energía de los EE.UU., almacenar cada kilovatio-hora de energía por menos de $100. También necesita tener una vida larga, dice Yi Cui, profesor de ciencia de materiales e ingeniería en la universidad de Stanford. ‘Lo ideal es que funcionen durante al menos 10.000 ciclos de carga, para que duren 25 años.’

La mayor parte de baterías fallan en al menos uno de los requisitos. Las baterías de ión-litio que se usan en portátiles y coches eléctricos tienen densidades muy buenas (más de 200 W·h/kg), pero cuestan el doble de lo que requiere la legislación. Las baterías de flujo redox también son muy caras. Mientras tanto, las baterías de plomo y ácido son muy baratas, pero sólo duran 500 ciclos y sus densidades están muy por debajo de lo deseado. Recientemente, los químicos también han ideado baterías de bajo coste con soluciones acuosas de iones de zinc y sodio como electrolitos, pero también fallan cuando toca alcanzar altas densidades y tienen una vida muy corta.

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Credit: Nat. Energy
Un prototipo de la batería de manganeso e hidrógeno (foto, a la derecho) que tiene un cátodo (verde) dentro de un cilindro de acero y un pequeño ánodo (morado) en el centro. El espacio restante se llena con el electrolito.

Pero el grupo de Cui decidió probar el manganeso, un metal muy abundante. Y ahora dicen que sus baterías cumplen todos los requisitos para usarse en red. Pueden fabricarse a muy bajo coste porque tanto el manganeso como el hidrógeno son abundantes. Tiene densidades energéticas de unos 140W·h/kg, el triple que las baterías de plomo y ácido. Y presumen de una vida muy larga de más de 10.000 ciclos (Nat. Energy 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0147-7).

La nueva batería tiene un ánodo hecho de un entramado de fibra de carbono que incorpora un catalizador de platino. El cátodo también es una simple fibra de carbono, y el electrolito una solución acuosa de sulfato de manganeso. Cuando la batería se carga, se borbotea hidrógeno porque el platino reduce el agua en el ánodo. Mientras, los iones de manganeso se combinan con el oxígeno y se depositan en el cátodo como óxido de manganeso. Cuando la batería se descarga, ocurre justo lo contrario – los iones de manganeso se redisuelven en el electrolito, el hidrógeno se oxida y forma agua, y los electrones viajan por el circuito externo.

Para hacer una celda completa, los investigadores enrollan un trozo del cátodo y lo insertan en un cilindro de acero inoxidable del tamaño de una pila de tipo C (las de los juguetes). Anclan el ánodo en el centro del reactor, y llenan el espacio restante con electrolito justo antes de sellar por completo la celda.

‘El dispositivo ya es mucho más grande que los que normalmente se prueban en el laboratorio, y además es fácilmente escalable,’ dice Cui. Las baterías grandes incluirán grandes tanques de acero para poder soportar la presión generada por el hidrógeno.

‘El tamaño de los tanques será crítico,’ explica Ping Liu, que diseña materiales para el almacenamiento de energía en la Universidad de California San Diego. ‘Son caros y ocupan mucho espacio,’ añade. ‘Pero estos problemas tienen solución y, si la encuentran, el coste del nuevo material es realmente bajo.’ El equipo ha desarrollado catalizadores de bajo coste para sustituir el platino, y ahora experimenta con otros materiales para el cátodo que podrían mejorar la eficiencia de la batería.

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Traducción al español producida por Fernando Gomollón Bel de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.

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