23 de julio de 2024

La idea española para revolucionar la energía con nuevas baterías sin litio.

Un grupo de investigadores transforma el óxido de niobio gracias a la tecnología láser, haciendo viables nuevas baterías que puedan prescindir de los iones de litio.

El mundo tiene un grave problema con el modelo energético y tecnológico que está construyendo. Sustituir los combustibles fósiles por electricidad implica que necesitamos ingentes cantidades de litio para fabricar las baterías de los coches. Algunos cálculos indican que en 2050 deberíamos producir 20 veces más que en la actualidad si queremos apostar por electrificar el transporte. También lo utilizan las baterías de los móviles o los portátiles. Además, necesitamos almacenar la energía que producen los paneles solares y las turbinas eólicas si queremos que las renovables sean una fuente fiable. Sin embargo, el litio es un recurso escaso y, para colmo, está acaparado por China. Por eso, muchos proyectos científicos afrontan el complicado reto de sustituir este elemento.

Investigadores españoles acaban de unirse a esta carrera al desarrollar un nuevo material cerámico, según explican en un artículo publicado por la prestigiosa revista científica Materials & Design. Un equipo del Instituto de Óptica Daza de Valdés, del CSIC, y otro de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) se han unido para transformar el óxido de niobio mediante tecnología láser, logrando obtener nuevas propiedades que lo convierten en un excelente conductor de la electricidad. De esta manera, sientan las bases para diseñar un nuevo tipo de baterías que no necesitarían litio. ¿Va a ser la solución que salvará el modelo energético que estamos diseñando para las próximas décadas?

La clave está en el material en forma de polvo con el que trabajan en el laboratorio y lo que consiguen hacer con él. Los óxidos combinan oxígeno y un metal, en este caso, el niobio. “La gracia del óxido de niobio es que su estructura permite introducir iones más grandes que los del litio”, explica Belén Sotillo, investigadora del Grupo de Física de Nanomateriales Electrónicos (FINE) de la UCM, en declaraciones a Teknautas. En una batería, la carga y la descarga dependen de la entrada y la salida de iones y, si se emplease este material, sería posible emplear iones de sodio o de potasio.

El problema es que no deja pasar los electrones, es decir, que es muy mal conductor de la electricidad, y por eso no se emplea en las baterías. La novedad de esta investigación es el tratamiento del óxido de niobio con un láser de pulsos ultrarrápidos que lo transforma en un nuevo material: su conductividad se incrementa en más de ocho órdenes de magnitud. “Es rápido y económico”, destaca la experta, primera firmante del artículo, “y permite conseguir que una batería se cargue y se descargue en un tiempo breve y de forma segura”.

Los láseres de pulsos ultracortos realizan un disparo muy breve, en el rango de centenares de femtosegundos (menos de una billonésima de segundo), así que “con la misma energía logran una intensidad muy alta”, comenta Javier Solís, científico del Grupo de Procesado por Láser del Instituto de Óptica. Así, cuando se aplica sobre este material, modifica su estructura de manera decisiva. En concreto, elimina oxígeno y esto facilita la conducción de la electricidad. “Si lo hiciéramos con un mecanismo puramente térmico, tendríamos que calentar un horno a más de 1.600 °C durante mucho tiempo, pero nos cargaríamos el material”, explica. Sin embargo, este láser de pulsos cortos también tiene una frecuencia de repetición muy alta, con lo cual, se logra calentar la muestra obteniendo la estructura perfecta. “Logramos combinar lo mejor de un láser de pulsos cortos y lo mejor de los láseres continuos”, señala el experto. Además, el tipo de láser que han empleado ya se utiliza en algunas aplicaciones industriales y es fácil de escalar en función del uso que se le quiera dar.

Por el momento, los científicos son prudentes, ya que su hallazgo aún está lejos de convertirse en una solución comercial, pero tienen claros los siguientes pasos. “Una vez que hemos conseguido el material, tenemos que diseñar un dispositivo que podamos probar en el laboratorio y se pueda incorporar en la estructura de una batería”, apunta la investigadora de la UCM. “Estamos en el proceso de investigación y aún podríamos añadir nuevos elementos que mejorasen las propiedades del óxido de niobio”, añade. Si todo va bien, más adelante se plantearán patentar el procedimiento y explorar la transferencia de esta tecnología a empresas.

Ventajas indiscutibles frente al litio

“Hoy por hoy, el litio es indispensable, pero no tenemos suficiente en el mundo para soportar el consumo que esperamos en los próximos 10 años”, asegura Javier Solís, así que evitar la dependencia de este material es “vital” para un futuro cercano. Reutilizarlo tampoco es una opción, porque es muy difícil de recuperar, y pensar en emplearlo para el almacenamiento de la energía de las fuentes renovables es inviable, precisamente, por esta escasez. Por el contrario, si una batería pudiera emplear iones de sodio y potasio, no representaría ningún problema, debido a la gran abundancia de estos elementos.

¿Y qué pasa con el niobio, como elemento conductor? Lo cierto es que también abunda en la corteza terrestre, pero está muy concentrado en algunos países. Brasil produce casi el 90% y prácticamente la totalidad del resto que se pone en el mercado procede principalmente de Canadá. No obstante, la Unión Europea puede tener algunas bazas para no depender del exterior si en algún momento lo necesitase. “Está presente en algunas minas abandonadas, así que podríamos tener fuentes cercanas de niobio”, comenta Belén Sotillo.

Según los investigadores, es imprescindible apostar por baterías alternativas al litio y hay varias opciones factibles que, como la suya, aún están en el campo de la experimentación. ¿Cuál será la apuesta ganadora? “Todo depende de las decisiones estratégicas de la industria del automóvil”, opina el científico del CSIC, porque ejercerá de motor para otros sectores. No obstante, es probable que el litio se mantenga durante mucho más tiempo en las pequeñas baterías de la electrónica de consumo, como los móviles y otros dispositivos cotidianos.

Sin descartar otras aplicaciones

Por otra parte, el nuevo material cerámico que han logrado al tratar el óxido de niobio con láser puede tener otras utilidades más allá de las energéticas. Una de ellas es la limpieza de aguas a través de la luz solar. “Normalmente, este material solo absorbe la luz ultravioleta, pero al quitarle oxígeno, conseguimos que también pueda absorber la luz visible y esto es útil para descontaminar”, argumenta Belén Sotillo. Al convertirlo en un extraordinario conductor de electricidad, también puede ser útil como sensor, por ejemplo, para detectar determinados gases.

En general, la nueva estructura que le confiere el láser hace que este material tenga una gran estabilidad química y sea resistente a la corrosión, unas nuevas propiedades que pueden dar paso a multitud de aplicaciones. En cualquier caso, pocas serían tan trascendentales ni decisivas como la posibilidad de sustituir las baterías de litio en un futuro próximo que aún presenta muchas incógnitas en el mundo de la energía.