En Asturias se investigan baterías más seguras y menos dependientes del litio

Cada día cargamos el móvil, trabajamos con un portátil y conducimos coches que dependen de una batería. Casi todas son de ion litio, y ahí está el problema menos visible ya que su fabricación depende de materias primas críticas cuya disponibilidad futura no está garantizada

Encontrar alternativas más abundantes y seguras es uno de los objetivos del Grupo de Materiales Carbonosos del Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono (INCAR-CSIC), cuyo trabajo cuenta con el apoyo del Principado de Asturias a través de la convocatoria de ayudas a grupos de investigación gestionada por FICYT.

El equipo, dirigido por Juan Ignacio Paredes, investigador científico del CSIC, trabaja con materiales que podrían utilizarse en nuevas baterías basadas en zinc o sodio. «Tienen como principal problema que dependen de materiales críticos cuya disponibilidad a largo plazo no está garantizada", explica Paredes sobre las baterías de ion litio, presentes hoy casi en todas partes.

El zinc y el sodio son más abundantes que el litio, lo que los convierte en posibles alternativas para fabricar baterías. En concreto, las baterías acuosas de ion zinc presentan menos riesgo de incendio o explosión que las de ion litio, aunque todavía almacenan menos energía y tienen problemas de estabilidad.

Una capa de grafeno para proteger el zinc

Uno de los avances recientes del grupo consiste en proteger el zinc de la batería con una película muy fina de grafeno. Este material procede del grafito, el mismo que encontramos en la mina de un lápiz.

Para explicar la relación entre el grafito y el grafeno, Paredes recurre a la imagen de un libro. «Un libro es un objeto tridimensional que está formado por muchas hojas de papel apiladas unas sobre otras, que serían los materiales bidimensionales».

El grafito sería el volumen completo y el grafeno, una de esas hojas separada del resto. Al quedar reducido a un grosor casi atómico, el material se vuelve muy sensible a cuanto lo rodea y adquiere propiedades diferentes. Paredes señala que «sólo cuando está físicamente separado de éste y adquiere existencia como objeto individualizado podemos decir que es un material con propiedades diferenciadas de las del grafito»

El grupo consigue esa separación sumergiendo el grafito en un líquido conductor y haciendo pasar por él una corriente eléctrica, una técnica llamada exfoliación electroquímica. Su principal aportación ha sido demostrar que cambiando la química de ese líquido cambian también las propiedades del grafeno resultante, como su grado de oxidación. El método no solo separa las láminas; además permite fabricarlas a medida del uso que tendrán después.

En uno de sus trabajos más recientes, el equipo ha aprovechado ese control para preparar un grafeno con la química justa y usarlo como capa protectora que mejora la estabilidad del zinc y puede prolongar la vida útil de la batería. «El equipo ha identificado qué modificaciones químicas del grafeno resultan eficaces para lograr esa estabilidad», señala Paredes.

Las baterías de ion sodio se acercan al mercado

El sodio abre otra vía para reducir la dependencia de materias primas críticas, puesto que es un elemento abundante y ampliamente distribuido.

Esta alternativa se investiga en DISTINCTION, un proyecto europeo coordinado por el Grupo de Materiales Carbonosos desde el INCAR y en el que participan siete socios de España, Francia y Bélgica. Su objetivo es desarrollar carbón duro para utilizarlo como electrodo en baterías de ion sodio, donde permite almacenar y liberar los iones durante la carga y la descarga.

Los investigadores obtienen este material a partir de bioaceites derivados de productos forestales, por lo que el proyecto combina el desarrollo de una nueva tecnología de almacenamiento con el aprovechamiento de materias primas de origen sostenible.

En el proyecto participa una empresa belga que desarrolla prototipos de celdas, una colaboración especialmente relevante en un momento en que, según Paredes, las baterías de ion sodio están «muy próximas a su comercialización». Por ello, considera que los resultados del proyecto tienen «altas probabilidades de permitir dispositivos con utilidad práctica cercana en el tiempo».

En paralelo, el grupo desarrolla carbones porosos de nanoestructura controlada junto a equipos de Alemania y Polonia, dentro del proyecto internacional CoLi-SCo, también orientado a baterías de nueva generación.

Tintas para imprimir pequeños dispositivos

Esas mismas láminas de grosor casi atómico que el grupo estudia para las baterías pueden prepararse también en forma de tintas.

Para obtenerlas, las láminas se dispersan en agua, alcoholes u otros disolventes. El reto consiste en evitar que se agrupen o se depositen en el fondo, de manera que la mezcla pueda manejarse e imprimirse sobre superficies flexibles. «Es importante disponer de tintas estables, pues son más fáciles de manejar», explica Paredes.

A partir de estas tintas es posible fabricar microelectrodos para pequeñas baterías destinadas a alimentar sensores ambientales portátiles, textiles electrónicos o implantes médicos miniaturizados. De esta forma, unas láminas de grosor casi atómico terminan integradas en dispositivos con aplicaciones concretas.

Unas quince personas, entre personal científico, técnico, posdoctoral y predoctoral, participan en estas investigaciones. Su trabajo abarca desde la preparación de los materiales hasta la comprobación de su comportamiento en dispositivos y aplicaciones concretas.

Una película que protege el zinc, un electrodo que almacena sodio y una tinta capaz de alimentar un sensor muestran el resultado de un trabajo en el que el grupo adapta las propiedades de los materiales de carbono a la función que deberán cumplir en cada dispositivo.

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