La batería perfecta: almacena energía y captura carbono a la vez

El resultado fue una batería para más de 10 horas de electricidad y que podría funcionar más de 600 horas sin perder capacidad

Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE.UU. están desarrollando tecnologías de baterías para combatir el cambio climático de dos maneras: ampliando el uso de energía renovable y capturando dióxido de carbono en el aire.

Este tipo de batería almacena la energía renovable generada por paneles solares o turbinas eólicas. Utilizar esta energía cuando el viento y la luz solar no están disponibles requiere una reacción electroquímica que, en la nueva formulación de batería de ORNL, captura el dióxido de carbono de las emisiones industriales y lo convierte en productos de valor agregado.

Los investigadores de ORNL crearon y probaron recientemente dos formulaciones diferentes para baterías que convierten el gas dióxido de carbono, o CO2, en una forma sólida que tiene el potencial de usarse en otros productos.

Uno de estos nuevos tipos de baterías mantenía su capacidad para 600 horas de uso y podía almacenar hasta 10 horas de electricidad. Los investigadores también identificaron, estudiaron y superaron el desafío principal, una desactivación causada por la acumulación de sustancias químicas, que había sido un obstáculo para la otra formulación de la batería.

Utilizan electrones libres para almacenar CO2

“La iniciativa de Ciencia y Tecnología de la Energía de Transformación, o TEST, en ORNL es precisamente el tipo de esfuerzo necesario para abordar el cambio climático. Estamos entusiasmados de que el laboratorio esté invirtiendo en ideas y enfoques innovadores que pueden transformar la forma en que pensamos sobre el almacenamiento de energía más allá de las baterías de iones de litio y otros sistemas de almacenamiento de energía electroquímicos convencionales”, dijo Ilias Belharouak, miembro corporativo de ORNL y director de la iniciativa. “Qué escenario tan fantástico: utilizar electrones libres para almacenar CO2 y convertirlo en productos generadores de ingresos es un concepto que nunca habría imaginado hace 10 años, pero esto es sólo el comienzo”.

Las baterías funcionan mediante reacciones electroquímicas que mueven iones entre dos electrodos a través de un electrolito. A diferencia de las baterías de teléfonos móviles o automóviles, las diseñadas para el almacenamiento de energía en la red no tienen que funcionar como un sistema cerrado y portátil. Esto permitió a los investigadores del ORNL crear y probar dos tipos de baterías que podrían convertir el CO2 de fuentes industriales estacionarias.

Por ejemplo, el CO2 generado por una central eléctrica podría bombearse a través de un tubo hacia el electrolito líquido, creando burbujas similares a las de un refresco carbonatado. Durante el funcionamiento con batería, las burbujas de gas se convierten en un polvo sólido.

Cómo funciona

Cada componente de una batería puede estar formado por diferentes elementos o compuestos. Estas opciones determinan la vida útil operativa de la batería, cuánta energía puede almacenar, qué tan grande o pesada es y qué tan rápido se carga o consume energía. De las nuevas formulaciones de baterías ORNL, una combina CO2 con sodio de agua salada utilizando un catalizador económico de hierro-níquel. El segundo combina el gas con aluminio.

Cada método utiliza abundantes materiales y un electrolito líquido en forma de agua salada, a veces mezclada con otras sustancias químicas. Las baterías son más seguras que la tecnología existente porque sus electrodos son estables en el agua, dijo el investigador principal Ruhul Amin.

Se han realizado muy pocas investigaciones sobre baterías de CO2. El enfoque probado anteriormente se basa en una reacción reversible de metal-CO2 que regenera el dióxido de carbono y continúa contribuyendo con gases de efecto invernadero a la atmósfera. Además, los productos sólidos de la descarga tienden a obstruir la superficie del electrodo, degradando el rendimiento de la batería.

Sin embargo, las baterías de CO2 desarrolladas en ORNL no liberan dióxido de carbono. En cambio, el subproducto carbonato se disuelve en el electrolito líquido. El subproducto enriquece continuamente el líquido para mejorar el rendimiento de la batería o puede filtrarse desde el fondo del recipiente sin interrumpir el funcionamiento de la batería. El diseño de las baterías puede incluso ajustarse para crear más de estos subproductos para su uso en las industrias farmacéutica o cementera. Los únicos gases que se liberan son el oxígeno y el hidrógeno, que no contribuyen al cambio climático e incluso pueden ser capturados para producir energía o combustible.

Los investigadores del ORNL utilizaron una combinación de materiales casi completamente nueva para estas baterías de CO2. Los pocos diseños anteriores similares funcionaron sólo durante períodos cortos o incorporaron metales caros.

Pros, contras y desafíos superados

La batería de sodio-dióxido de carbono, o Na-CO2, se desarrolló primero y enfrentó algunos obstáculos. Para que este sistema funcione, los electrodos deben estar separados en cámaras húmedas y secas con un conductor de iones sólido entre ellas. La barrera ralentiza el movimiento de los iones, lo que a su vez ralentiza el funcionamiento de la batería y reduce su eficiencia.

Un desafío importante para esta batería de Na-CO2 es que después de un uso prolongado, se forma una película en la superficie del electrodo, lo que eventualmente hace que la batería se desactive. El equipo de investigación utilizó microscopios altamente especializados y técnicas de rayos X para examinar la celda de la batería cuando fallaba y en varias etapas de funcionamiento.

Estudiar cómo se formó la película ayudó a los investigadores a comprender cómo descomponerla nuevamente. Les intrigó darse cuenta de que la batería podía reactivarse, o impedirse su desactivación, simplemente mediante cambios operativos en el ciclo de carga/descarga. Los pulsos desiguales de carga y descarga impidieron la acumulación de película en el electrodo.

“Informamos por primera vez que la célula desactivada puede reactivarse”, dijo Amin. “Y encontramos el origen de la desactivación y activación. Si carga y descarga simétricamente la batería durante demasiado tiempo, se agota en un momento. Si utiliza el protocolo que establecimos para nuestra celda, las posibilidades de falla son muy escasas”.

Un segundo diseño para almacenamiento a largo plazo

A continuación, los investigadores se centraron en el diseño de la batería de aluminio y dióxido de carbono, o Al-CO2, el equipo experimentó con varias soluciones de electrolitos y tres procesos de síntesis diferentes para identificar la mejor combinación. El resultado fue una batería que proporciona suficiente almacenamiento para más de 10 horas de electricidad para su uso posterior.

“Eso es enorme para el almacenamiento de larga duración”, dijo Amin. “Ésta es la primera batería de Al-CO2 que podría funcionar de forma estable durante mucho tiempo, que es el objetivo. Mantener sólo unas pocas horas de energía almacenada no ayuda”.

Las pruebas encontraron que la batería ORNL podría funcionar más de 600 horas sin perder capacidad, dijo Amin, mucho más que la única batería de Al-CO2 reportada anteriormente, que solo fue probada durante ocho horas de ciclo.

La guinda del pastel es que esta batería captura casi el doble de dióxido de carbono que la batería de Na-CO2. Se puede diseñar para que el sistema funcione en una sola cámara, con ambos electrodos en la misma solución líquida, de modo que no exista ninguna barrera al movimiento de los iones.

El desafío para la batería de Al-CO2 es acercarla a su ampliación, dijo Amin. Aun así, el equipo seguirá estudiando sistemáticamente sus propiedades para prolongar la vida útil y capturar CO2 de forma más eficiente. Para que la batería de Na-CO2 sea competitiva, el equipo se centrará en desarrollar una membrana cerámica muy fina, densa y mecánicamente estable para separar las cámaras de la batería.

Otros científicos del ORNL que contribuyeron al proyecto son Marm Dixit, Mengya Li, Sabine Neumayer, Yaocai Bai, Ilias Belharouak, Anuj Bisht, Yang Guang y el ex investigador del ORNL Rachid Essehli. La investigación fue financiada a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio ORNL, o LDRD. La investigación sobre baterías de sodio-CO2 utilizó el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios del DOE en ORNL.