El investigador de la Departamento de Química Inorgánica e Ingeniería Química de la Universidad de Córdoba Gregorio Ortiz ayuda a Bai Xue, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín, durante una práctica
La popularización de vehículos eléctricos dependerá, en gran parte, de la autonomía de los mismos. Frente a los convencionales y duraderos motores de combustión, las baterías eléctricas alcanzan actualmente como máximo unos 160 kilómetros. Dicho de otro modo, un coche eléctrico sólo puede recorrer la distancia equivalente a la que hay entre Córdoba y Málaga sin tener que enchufarse de nuevo a la red. Ahora, la Universidad de Córdoba ha logrado, de manera experimental, triplicar la densidad de energía de las pilas que mueven estos medios de transporte. Con este resultado, en teoría, se podrá estirar su radio de acción y llegar más lejos, antes de usar de nuevo un enchufe.
Las baterías de los vehículos eléctricos, y de los dispositivos móviles, están desarrolladas con una tecnología denominada de iones de litio. En general, en una batería se genera una corriente eléctrica gracias a la existencia de dos polos llamados ánodo y cátodo, que intercambian electrones en un circuito externo e iones en su interior. En este proceso constante, hasta que se agota el intercambio, se puede aprovechar la energía para hacer funcionar un aparato eléctrico. En este caso, los iones son de litio, un metal alcalino muy interesante por su potencial electroquímico, la base para la consecución de pilas.
“Sin embargo, las baterías de ion de litio tienen dos problemas para su popularización, por un lado hay que depurar la seguridad de las mismas, y por otro, está su densidad de energía”, explica José Luis Tirado, investigador principal del equipo del Departamento de Química Inorgánica e Ingeniería Química de la Universidad de Córdoba que ha desarrollado esta nueva pila experimental. Investigadores de todo el mundo trabajan en la mejora de alguno de estos dos aspectos, el de seguridad o el de la densidad de energía. En física, la densidad de energía es la cantidad de energía acumulada en un sistema. Se mide en vatios-hora por kilogramo. En el mercado, las actuales baterías de ion de litio presentan unos rangos cercanos a los 120 vatios-hora por kilogramo.
“La densidad depende del voltaje, por un lado, y de capacidad de la pila, por el otro”, explica Tirado. Es un reto científico aumentar la densidad sin que afecte a la seguridad del dispositivo. Se podría incrementar la tensión eléctrica de una pila distanciando el potencial del ánodo y del cátodo, pero a mayor separación, más inestabilidad en el intercambio de iones. Es el nudo gordiano para desarrollar baterías más duraderas.
Aumentando el voltaje
Los investigadores de la UCO plantearon una opción ingeniosa. En vez de separar los electrodos que permiten generar la energía, elevaron su voltaje a la vez. Para el ánodo establecieron una tensión eléctrica de 1,8 voltios, mientras que para el cátodo la situaron en torno a los 5,1 voltios. “Observamos que el voltaje total había sido incrementado con éxito y de manera segura y no se perdía diferencia de potencial”, resume el catedrático Tirado. Los resultados de la investigación han sido publicados recientemente en la revista científica Scientific Reports, del grupo editorial Nature.
La pila experimental de ion de litio logra superar los 400 vatios-hora por kilogramo en condiciones de laboratorio, el triple que las que están en el mercado. Aun en situaciones más realistas, la nueva batería tenía un comportamiento notablemente mejor que las convencionales, con densidades de energía de hasta 284 vatios-hora por kilogramo. “Hay que tener en cuenta que en los dispositivos en los que se emplean, estas baterías son ajustadas a los mismos y pierden algo de densidad de energía, por eso era importante comprobar esas condiciones reales”, matiza el investigador.
Colaboración internacional
El trabajo es fruto de la colaboración de la Universidad de Córdoba con la Universidad de Xiamen (China, en el sudeste del país). Financiada por los programas Erasmus Mundus, Ramón y Cajal y Nacional de Materiales de España, la UCO ha llevado el peso de la investigación, con el desarrollo de todo el trabajo electroquímico en sus laboratorios. La cooperación entre ambas instituciones permitió que un investigador de la UCO, Gregorio Ortiz, realizara una estancia en Xiamen. Allí pudo sintentizar y analizar por microscopia los materiales catódicos del experimento.
La nueva batería es un desarrollo escalable, por lo que puede resultar de interés tanto para la industria automovilística como para la electrónica.
Gregorio F. Ortiz, María C. López, Yixiao Li, Matthew J. McDonald, Marta Cabello, José L. Tirado & Yong Yang. ‘Enhancing the energy density of safer Li-ion batteries by combining high-voltage lithium cobalt fluorophosphate cathodes and nanostructured titania anodes’. Scientific Reports 6, Article number: 20656 (2016) doi: 10.1038/srep20656