¿Y si introducir un material conductor dentro de una batería no provocara un cortocircuito, sino que hiciera que funcionara mejor? Esa es, precisamente, la idea que ha demostrado un equipo de investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC). Han desarrollado una nueva arquitectura para baterías de zinc-aire capaz de aumentar su potencia hasta un 80 % sin modificar la química principal del dispositivo.
La estrategia consiste en introducir pequeños elementos conductores en el interior de la batería. En lugar de provocar un cortocircuito, como cabría esperar, estos elementos actúan como electrodos bipolares inalámbricos, facilitan el transporte de carga y reducen la resistencia interna del sistema.
El resultado abre una nueva vía para diseñar baterías más eficientes y capaces de suministrar energía con mayor rapidez, sin necesidad de cambiar la química básica sobre la que funciona el dispositivo.
La investigación, publicada en la revista Energy Storage Materials, se ha realizado en colaboración con investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) y de la Universidad Nacional de La Plata. El trabajo forma parte de una línea de investigación que plantea una nueva forma de entender el diseño de las baterías.
El material que entra en la batería y no provoca un cortocircuito
Para entender la importancia del descubrimiento hay que partir de una idea básica sobre cómo funciona una batería. Una batería almacena energía gracias a la diferencia energética entre los dos materiales que forman sus electrodos. Cuando funciona, las cargas se desplazan de un electrodo a otro a través de un tercer componente: el electrolito, que permite el movimiento de átomos o moléculas con carga eléctrica, conocidos como iones.
Pero existe una regla fundamental en el diseño tradicional de las baterías: el electrolito no debe transportar electrones. La razón parece evidente. Si un material capaz de conducir electrones conectara eléctricamente los dos electrodos a través del electrolito, se produciría un cortocircuito y la batería dejaría de funcionar.
Por eso, tradicionalmente, los electrolitos se han diseñado sin materiales conductores. La seguridad y el correcto funcionamiento de las baterías se han apoyado durante décadas en este principio.
El equipo liderado por la investigadora del ICMAB-CSIC Nieves Casañ-Pastor ha demostrado ahora que esta regla puede tener una excepción. En determinadas condiciones, es posible introducir pequeñas piezas metálicas conductoras dentro del electrolito sin conectarlas mediante cables al circuito externo ni a los electrodos. Y, lejos de inutilizar la batería, estos elementos pueden mejorar su funcionamiento.
“Normalmente, si un material pudiera transportar electrones dentro del electrolito tendrías un cortocircuito y dejarías de tener una batería”, asegura Casañ-Pastor. “Lo sorprendente es que estos conductores no están conectados con cable a nada: simplemente se introducen en el interior del sistema y, aun así, generan efectos beneficiosos y enormes cambios en potencia o capacidad de carga”.
Cómo funcionan los electrodos bipolares inalámbricos
La clave del descubrimiento está en lo que ocurre con esas pequeñas piezas conductoras cuando la batería comienza a funcionar. En ese momento se genera un campo eléctrico entre los dos electrodos principales de la batería. Cuando una pieza conductora se introduce entre ellos sin estar conectada a ninguno de los dos, el campo eléctrico provoca que sus cargas se redistribuyan.
Un extremo de la pieza acumula carga positiva y el otro carga negativa. Es lo que se conoce como polarización. La pieza se convierte así, en la práctica, en un nuevo elemento capaz de intervenir en el transporte de carga dentro de la batería, aunque no exista ningún cable que la conecte con el circuito externo.
Estos elementos funcionan como electrodos bipolares inalámbricos y generan nuevas rutas para el transporte de carga en el interior del dispositivo. De esta manera, facilitan las reacciones electroquímicas responsables de generar electricidad.
El efecto final es una reducción de la resistencia interna de la batería, lo que permite suministrar energía más rápidamente y mejorar su rendimiento. La importancia del descubrimiento está precisamente en que no se basa en cambiar radicalmente los materiales que componen la batería, sino en modificar la arquitectura interna del dispositivo.
Más potencia para unas baterías basadas en materiales abundantes
La investigación forma parte de la tesis doctoral de Marc Mosqueda, recientemente graduado como doctor en el ICMAB. Una parte importante de su trabajo se centró en estudiar cómo inducir este tipo de efectos en diferentes sistemas de baterías.
El equipo ha prestado especial atención a las baterías de zinc-aire, una tecnología que presenta características interesantes para el almacenamiento energético.
Una de sus principales ventajas es que utiliza materiales abundantes, baratos y relativamente seguros, en lugar de depender de algunos de los materiales empleados en otras tecnologías de baterías.
Sin embargo, las baterías zinc-aire también tienen limitaciones. Una de las más importantes está relacionada con la reacción con el oxígeno, que es relativamente lenta y limita la cantidad de potencia que la batería puede suministrar. Ahí es donde la nueva arquitectura puede marcar la diferencia.
Al introducir los electrodos bipolares inalámbricos en el interior del sistema, los investigadores consiguen reducir significativamente la resistencia y acelerar el transporte de carga, lo que permite aumentar la velocidad a la que la batería puede suministrar energía. El resultado obtenido en este trabajo es un incremento de hasta el 80 % en la potencia.
En palabras de Casañ-Pastor, “el zinc se oxida muy fácilmente, no es peligroso, y la química acuosa del sistema impide que la batería explote como ocurre en las de litio u otros materiales. Por otra parte, el oxígeno posee una reacción es lenta. Es un compuesto muy estable”.
La combinación de estas características hace que las baterías zinc-aire sean una alternativa de interés para el almacenamiento de energía, aunque todavía presentan retos tecnológicos que deben resolverse antes de alcanzar todo su potencial.
Una nueva forma de diseñar las baterías
Más allá de la mejora concreta conseguida en las baterías zinc-aire, los investigadores consideran que el hallazgo puede tener una importancia mayor.
La idea fundamental es que no siempre es necesario cambiar la química de una batería para mejorar sus prestaciones. También se puede actuar sobre la forma en que están distribuidos y conectados sus componentes en el interior.
Para Casañ-Pastor, el principal valor del trabajo está precisamente en esa nueva perspectiva: “Esto no es la solución definitiva, sino una nueva vía para mejorar distintos parámetros del rendimiento de una batería”, afirma.
El grupo ya ha observado efectos similares en otras tecnologías de almacenamiento y continuará investigando las posibilidades de esta arquitectura basada en electrodos bipolares inalámbricos.
El siguiente paso será determinar hasta dónde puede llegar esta estrategia y en qué otros tipos de baterías puede aplicarse. Si los resultados se confirman en diferentes sistemas, una idea que inicialmente parece contradecir una de las reglas básicas del diseño de baterías podría convertirse en una nueva herramienta para mejorar el almacenamiento energético.
