Avance en pilas - España desarrolla pilas de calcio para sustituir a las de litio
Investigadores españoles trabajan en un prototipo de pila que utiliza calcio en lugar de litio. Las pilas no tardaron en convertirse en la forma más común de almacenar energía química.
Pero para que la pila fuera portátil y recargable, tardaron siglos en ajustar la combinación de elementos de la pila, y finalmente formaron el dispositivo de pila que los humanos viven y producen hoy en día.
Investigación y desarrollo
Verdaderas protagonistas de la era de los dispositivos electrónicos portátiles, las baterías de iones de litio parecen destinadas a un éxito sin precedentes. El litio es caro de extraer y peligroso de manipular, por lo que resulta difícil de procesar y reciclar.
La demanda de litio supera los recursos disponibles. Los recursos de litio se caracterizan por su aislamiento geográfico (se encuentran en lugares como los páramos australianos), lo que añade complejidad a la cadena de suministro del litio.
Las cifras de la UE muestran que en 2050 la UE necesitará 60 veces más litio del que suministra actualmente para satisfacer la demanda de baterías para vehículos eléctricos y almacenar la energía renovable necesaria para cumplir los objetivos de emisiones de carbono fijados por el Pacto Verde de la UE.
Partiendo de esta premisa, los investigadores intentan utilizar los elementos más abundantes disponibles en Europa para crear baterías con propiedades similares. Se han desarrollado prototipos de baterías basadas en el calcio.
Calcio y litio
El calcio se sitúa junto al litio en la tabla periódica. El programa está financiado por un fondo perteneciente al Consejo Europeo de Innovación y se denomina proyecto CARBAT.
El calcio es un elemento extremadamente común, unas 2.000 veces más abundante que el litio, y se encuentra en los huesos, la arcilla y muchas otras sustancias. El calcio, uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre, no está tan concentrado en zonas geográficas concretas como el litio. Y si el coste de las materias primas es bajo, las baterías fabricadas con ellas también pueden tener esas ventajas.
En comparación con las baterías de iones de litio que utilizan grafito como electrodo negativo, el uso de calcio como electrodo negativo es más ventajoso por su mayor densidad energética, es decir, la capacidad de almacenar energía por kilogramo.
Con esta configuración, podemos alcanzar teóricamente densidades de energía muy elevadas utilizando un metal como uno de los electrodos.
Densidad energética de la batería de iones de litio no pueden alcanzar este nivel porque no pueden utilizar el metal altamente activo litio como electrodo. Al hacerlo, suelen crearse pequeñas estructuras rígidas en forma de árbol llamadas dendritas que pueden cortocircuitar o incluso hacer explotar la batería tras un uso repetido.
Búsqueda de nuevos electrolitos
En el caso de los vehículos eléctricos que utilizan baterías del mismo tamaño, si se encuentra el electrodo positivo adecuado, se podrá ampliar la autonomía.
Sin embargo, el proceso de elección de los demás componentes necesarios para construir el prototipo de batería, como el electrolito por el que fluyen los iones, es complicado.
En el electrolito se producen muchas interacciones entre los iones de calcio y las moléculas de disolvente, lo que reduce la movilidad del calcio. La excelente conductividad del electrolito ayudará a que los iones se muevan más rápido, aumentando la potencia de la pila.
Para superar este obstáculo, los investigadores desarrollaron modelos de diversas sales y disolventes con el fin de encontrar un electrolito que formara una capa de pasivación sobre los electrodos de calcio para facilitar el movimiento de los iones. "Parece que todos los electrolitos que funcionan contienen boro", explica Palacin.
El desarrollo de electrolitos conductores del calcio es la clave para conseguir pilas de calcio recargables y funcionales.
En vista de ello, Patrik Johansson et al. adoptaron el método de cribado combinado de teoría del funcional de la densidad + modelo de cribado tipo conductor para disolventes reales (DFT + COSMO-RS).
Los disolventes electrolíticos y las sales de calcio se seleccionaron racionalmente en función de su capacidad solvatante, las ventanas de estabilidad electroquímica (ESW), la viscosidad, el punto de inflamación y el punto de ebullición.
