El suministro de litio es preocupante en la industria del vehículo eléctrico. La necesidad de este material va más allá de las pilas de litio actuales. Desarrollos tan prometedores como las baterías con electrolito sólido o con ánodos de metal del litio siguen dependiendo de él. Su escasez y, sobre todo, la dependencia geopolítica de China, que controla su cadena de suministro, suponen un problema para fijar sus costes de producción.
Un equipo de ingenieros de la Universidad RMIT de Melbourne lleva trabajando desde 2014 con la primera prueba conceptual de una batería de flujo de protones basada en hidrógeno. Esencialmente, es una forma diferente de usar hidrógeno para almacenar energía. La batería de protones funciona como una celda de combustible reversible, acepta agua mientras se carga, separa iones de hidrógeno con carga positiva y libera oxígeno.
Igualando la densidad de energía del litio
La mayoría de los sistemas de hidrógeno permiten que estos iones se combinen en H2, consuman energía comprimiéndolo, enfriándolo para licuarlo o procesándolo en amoníaco. En cambio, esta batería almacena los protones de hidrógeno directa e inmediatamente en los orificios de un electrodo de carbón activado sólido y poroso empapado en un ácido diluido. La descarga de la batería es cuestión de agregar oxígeno y la energía se libera a medida que se produce agua.
En un artículo publicado en el Journal of Power Sources, los investigadores del RMIT analizan los fundamentos de funcionamiento de la batería de protones, principalmente en las reacciones del lado del oxígeno, para formular y probar algunas ideas sobre cómo podría mejorarse.
Su trabajo se ha centrado en tres tareas. El secado al vacío del polvo de carbón activado antes de la preparación del electrodo para eliminar el agua del material, el calentamiento suave de toda la celda a 70°C durante el funcionamiento y el reemplazo de la capa de difusión de gas (GDL) con una lámina de fibra GDL mucho más delgada en el lado del oxígeno.
Según explican, los beneficios fueron enormes. El resultado es una batería de protones capaz de almacenar casi tres veces más energía por unidad de peso y "más del doble del almacenamiento de hidrógeno electroquímico más alto, utilizando un electrolito ácido de lo que actualmente hay publicado la literatura científica". Sin utilizar litio, la densidad energética específica lograda con el prototipo de esta batería en el laboratorio es de 245 Wh/kg. Una cifra que se aproxima a los 260 Wh /kg que entregan las baterías de litio del Tesla Model 3.
La batería de protones comercial
Si este tipo de baterías llegara a comercializarse, las ventajas recaerían sobre todo en la eliminación del litio, en la seguridad, puesto que el transporte del hidrógeno no es a alta presión, y en la eficiencia de la recarga. La eliminación de litio y de otros metales exóticos reduciría su coste de producción. Se puede fabricar utilizando materiales abundantes que, además, son reciclables.
"Nuestra batería tiene una energía por unidad de masa comparable con las baterías de iones de litio disponibles en el mercado, es mucho más segura y más sostenible, ya que necesita menos recursos del suelo", afirma John Andrews, investigador principal y profesor de RMIT en el comunicado de prensa.
El principal recurso utilizado por la batería de protones es el carbono, que es abundante, está disponible en todos los países y es barato en comparación con los recursos necesarios para otros tipos de baterías recargables. “Tampoco hay desafíos ambientales al final de su vida útil con una batería de protones, ya que todos los componentes y materiales se pueden rejuvenecer, reutilizar o reciclar”, añade Andrews.
La eficiencia de la carga y la descarga es una pesadilla para la mayoría de los sistemas de propulsión de hidrógeno, donde la energía se desperdicia de manera efectiva durante la electrólisis, la compresión/enfriamiento, el almacenamiento y en la propia celda de combustible cuando se vuelve a convertir el hidrógeno en electricidad. En este caso “nuestra batería de protones tiene pérdidas mucho menores que los sistemas de hidrógeno convencionales, lo que la hace directamente comparable con las baterías de iones de litio en términos de eficiencia energética", explica Andrews.
A los investigadores todavía les queda trabajo por hacer en el diseño general del sistema. "La energía específica basada en la masa del electrodo citada en nuestro artículo fue de 245 Wh/kg, pero se reduce cuando se tiene en cuenta la masa de otros componentes de la batería, aunque hay opciones para hacerlos muy ligeros. También esperamos aumentar esta cifra al optimizar el diseño y la operación general de la celda".
¿Cuál es su rival: hidrógeno o baterías?
Las baterías de flujo de protones de hidrógeno compiten más en el campo de las baterías que en el de las celdas de combustible. En aplicaciones como la aviación, donde el peso es la máxima prioridad, el hidrógeno gaseoso y líquido sigue transportando varias veces más energía por kilogramo.
El equipo ya se está moviendo para comercializar la batería de protones. "Esperamos seguir desarrollando esta tecnología en Melbourne e Italia, en asociación con Eldor Corporation, para producir un prototipo de batería con una capacidad de almacenamiento que satisfaga las necesidades de una variedad de aplicaciones domésticas y comerciales", dice Andrews. "El objetivo de esta colaboración es escalar el sistema desde el vatio hasta el kilovatio y, en última instancia, hasta la escala del megavatio".
