Los investigadores avanzan hacia baterías que atrapan carbono

¿Qué pasaría si existiera una batería que pudiera liberar energía mientras atrapa dióxido de carbono? Esto no es ciencia ficción; es la promesa de las baterías de litio-dióxido de carbono (Li-CO₂), que actualmente son un tema de investigación que está en tendencia.

Las baterías de Li-CO₂ podrían ser una solución integral a los problemas actuales de almacenamiento de energía renovable y reducción de emisiones de carbono. Absorben dióxido de carbono y lo convierten en un polvo blanco llamado carbonato de litio mientras descargan energía.

Estas baterías podrían tener profundas implicaciones para reducir las emisiones de los vehículos y la industria, incluso podrían permitir misiones de larga duración en Marte, donde la atmósfera está compuesta en un 95 % de CO₂.

La batería que funciona con CO₂ nació por error

Para que estas baterías sean comercialmente viables, los investigadores resolvieron los principales problemas relacionados con su recarga. Ahora, nuestro equipo de la Universidad de Surrey creó una solución prometedora. Entonces, ¿qué tan cerca están estas baterías que “respiran CO₂” de convertirse en una realidad práctica?

Como muchos grandes avances científicos, las baterías de Li-CO₂ fueron fruto de una feliz casualidad. Hace poco más de una década, un equipo de investigadores franco-estadounidenses intentaba resolver los problemas de las baterías de litio-aire, otra tecnología de vanguardia para el almacenamiento de energía. Mientras que las baterías de iones de litio actuales generan energía moviendo y almacenando iones de litio dentro de electrodos, las baterías de litio-aire funcionan mediante una reacción química entre el litio y el oxígeno.

El problema es el componente “aire”, ya que incluso el minúsculo volumen (0.04%) de CO₂ presente en el aire es suficiente para alterar esta química tan cuidadosa, produciendo carbonato de litio (Li₂CO₃) no deseado. Como muchos científicos especializados en baterías afirman, la presencia de Li₂CO₃ también puede ser un verdadero problema en las baterías de iones de litio convencionales, causando reacciones secundarias perjudiciales y resistencia eléctrica.

Sin embargo, los científicos notaron algo interesante sobre esta contaminación por CO₂: mejoraba la carga de la batería. A partir de entonces, comenzaron a trabajar en la adición intencionada de CO₂ a las baterías para aprovechar esta ventaja y así nació la batería de litio-CO₂.

Cómo funcionan

Su gran potencial reside en la reacción química en el polo positivo de la batería, donde se practican pequeños orificios en la carcasa para permitir la entrada del gas CO₂. Allí, este se disuelve en el electrolito líquido (lo que permite que la carga se mueva entre los dos electrodos) y reacciona con el litio ya disuelto. Durante esta reacción, se cree que se intercambian cuatro electrones entre los iones de litio y el dióxido de carbono.

Esta transferencia de electrones determina la carga teórica que puede almacenarse en la batería. En una batería de iones de litio normal, el electrodo positivo intercambia solo un electrón por reacción. En las baterías de litio-aire, son de dos a cuatro electrones. El mayor intercambio de electrones en la batería de litio-dióxido de carbono, combinado con el alto voltaje de la reacción, explica su potencial para superar con creces el rendimiento de las baterías de iones de litio actuales.

Sin embargo, la tecnología presenta algunos problemas. Las baterías no duran mucho. Los paquetes comerciales de iones de litio suelen sobrevivir entre 1,000 y 10,000 ciclos de carga; la mayoría de los prototipos de LiCO₂ se deterioran después de menos de 100.

También son difíciles de recargar. Esto requiere la descomposición del carbonato de litio para liberar litio y CO₂, lo cual puede requerir un alto consumo de energía. Este requerimiento energético es similar a una colina que debe superarse en ciclos antes de que la reacción pueda avanzar lentamente y se conoce como sobrepotencial.

Este requisito se puede reducir imprimiendo el material catalizador adecuado en el electrodo positivo poroso. Sin embargo, estos catalizadores suelen ser metales nobles caros y raros, como el rutenio y el platino, lo que supone un obstáculo importante para su viabilidad comercial.

Más carga, menos costo

Nuestro equipo encontró un catalizador alternativo, el fosfomolibdato de cesio, mucho más económico y fácil de fabricar a temperatura ambiente. Este material estabiliza las baterías durante 10⁻¹ ciclos, a la vez que almacena 2,5 veces más carga que un ion de litio. Además, redujimos significativamente el coste energético de la descomposición del carbonato de litio, para un sobrepotencial de 0.67 voltios, que es solo aproximadamente el doble de lo que se necesitaría en un producto comercial.

Además, trabajamos para reducir aún más el costo de esta tecnología mediante el desarrollo de un catalizador que sustituye al cesio, ya que el fosfomolibdato es clave. Esto podría hacer que el sistema sea más viable económicamente y escalable para una implementación generalizada.

También planeamos estudiar cómo se carga y descarga la batería en tiempo real. Esto nos permitirá comprender mejor los mecanismos internos que la componen, lo que ayudará a optimizar el rendimiento y la durabilidad.

Las pruebas que se realizarán en el futuro

Un objetivo principal de las próximas pruebas será evaluar el rendimiento de la batería bajo diferentes presiones de CO₂. Hasta el momento, el sistema solo se ha probado en condiciones ideales (1 bar). Si puede funcionar a 0,1 bar de presión, será viable para escapes de automóviles y calderas de gas, lo que significa que podría capturar CO₂ mientras conduce o calienta su hogar.

Demostrar que esto funciona será una confirmación importante de su viabilidad comercial, aunque cabría esperar que la capacidad de carga de la batería se redujera a esta presión. Según nuestros cálculos aproximados, 1 kg de catalizador podría absorber alrededor de 18,5 kg de CO₂. Dado que un coche que recorre 160 km emite entre 18 y 20 kg de CO₂, una batería de este tipo podría compensar la duración de un día de conducción.

Si las baterías funcionan a 0,006 bar, la presión atmosférica marciana, podrían alimentar cualquier cosa, desde un rover de exploración hasta una colonia. A 0,0004 bar, la presión atmosférica terrestre, podrían capturar CO₂ de nuestra atmósfera y almacenar energía en cualquier lugar. En cualquier caso, la pregunta clave será cómo afecta esto a la capacidad de carga de la batería.

El futuro de las baterías que capturan CO₂ depende de resolver tres retos clave

Mientras tanto, para mejorar el número de ciclos de recarga de la batería, debemos abordar el problema del secado del electrolito. Actualmente, estamos investigando soluciones, que probablemente impliquen el desarrollo de carcasas en las que solo pueda circular CO₂.

Para reducir la energía necesaria para el funcionamiento del catalizador, es probable que sea necesario optimizar la geometría de la batería para maximizar la velocidad de reacción e introducir un flujo de CO₂ similar al funcionamiento de las pilas de combustible (normalmente mediante la alimentación de hidrógeno y oxígeno).

Si este trabajo continuo logra extender la vida útil de la batería por encima de los 1,000 ciclos, reducir el sobrepotencial por debajo de 0,3 V y reemplazar por completo los elementos escasos, los paquetes comerciales de Li-CO₂ podrían hacerse realidad. Nuestros experimentos determinarán la versatilidad y el amplio alcance de las aplicaciones de la batería, desde la captura de carbono en la Tierra hasta la alimentación de misiones en Marte.

Daniel Commandeur es Surrey Future Fellow en la Facultad de Química e Ingeniería Química de la Universidad de Surrey.

Mahsa Masoudi es investigadora de doctorado en ingeniería química en la Universidad de Surrey.

Siddharth Gadkari es profesor de ingeniería de procesos químicos en la Universidad de Surrey.

Este artículo se volvió a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lee el artículo original aquí.