Las baterías de litio que alimentan nuestros aparatos electrónicos y vehículos eléctricos tienen una serie de inconvenientes. El electrolito, el medio que permite que los electrones y las cargas positivas se muevan entre los electrodos, es un líquido inflamable. Además, el litio del que están hechas es un recurso limitado que es el centro de grandes cuestiones geopolíticas.

Unos especialistas en cristalografía de la Universidad de Ginebra (UNIGE) han desarrollado un electrolito sólido no inflamable que funciona a temperatura ambiente. Transporta sodio, que se encuentra en todas partes de la Tierra, en lugar de litio. Es una combinación ganadora que también significa que es posible fabricar baterías más potentes. Las propiedades de estas baterías “ideales” se basarían en la estructura cristalina del electrolito, un hidroborato compuesto de boro e hidrógeno. El equipo de investigación de la UNIGE ha publicado un artículo en la revista Cell Reports Physical Science que contiene toda estrategia para la fabricación de electrolitos sólidos destinada a los desarrolladores de baterías.

El desafío de almacenar energía es colosal para las iniciativas de sostenibilidad. En efecto, el desarrollo de vehículos eléctricos que no emitan gases de efecto invernadero depende de la existencia de baterías potentes y seguras, al igual que el desarrollo de las energías renovables –solar y eólica– depende de las capacidades de almacenamiento de energía. Las baterías de litio son la respuesta actual a estos desafíos. Lamentablemente, el litio requiere electrolitos líquidos, que son altamente explosivos en caso de fuga. “Además, el litio no se encuentra en todas partes, y crea problemas geopolíticos similares a los del petróleo. El sodio es un buen candidato para reemplazarlo porque tiene propiedades químicas y físicas cercanas al litio y se encuentra en todas partes”, argumenta Fabrizio Murgia, un becario de postdoctorado en la Facultad de Ciencias de la UNIGE.

Los dos elementos -sodio y litio- están cerca el uno del otro en la Tabla Periódica. “El problema es que el sodio es más pesado que su primo el litio. Eso significa que tiene dificultades para abrirse camino en el electrolito de la batería”, añade Matteo Brighi, becario de postdoctorado en la UNIGE y primer autor del estudio. Por consiguiente, es necesario desarrollar electrolitos capaces de transportar cationes como el sodio. En 2013 y 2014, grupos de investigación japoneses y americanos identificaron a los hidroboratos como buenos conductores de sodio a más de 120°C. A primera vista, esta es una temperatura excesiva para el uso diario de las baterías, ¡fue pero un regalo del cielo para el laboratorio de Ginebra!

Superficie tridimensional de difusión de iones de sodio en un cristal de hidroborato. Este nuevo material forma una estructura desordenada pero altamente simétrica, permitiendo una movilidad del sodio comparable a la del litio en una batería comercial. (Foto: © UNIGE/Brighi)

Con décadas de experiencia en hidroboratos utilizados en aplicaciones como el almacenamiento de hidrógeno, los cristalógrafos de Ginebra se pusieron a trabajar en la reducción de la temperatura de conducción. “Obtuvimos muy buenos resultados con excelentes propiedades compatibles con las baterías. Conseguimos utilizar los hidroboratos como electrolito desde la temperatura ambiente hasta los 250 grados centígrados sin problemas de seguridad. Además, resisten mayores diferencias de potencial, lo que significa que las baterías pueden almacenar más energía”, continúa Radovan Cerny, profesor del Laboratorio de Cristalografía de la UNIGE y líder del proyecto.

La cristalografía, ciencia que se sitúa entre la mineralogía, la física y la química, se utiliza para analizar y comprender las estructuras de las sustancias químicas y predecir sus propiedades. Gracias a la cristalografía, es posible diseñar materiales. Es este enfoque cristalográfico el que se utilizó para poner en práctica las estrategias de fabricación publicadas por el trío de investigadores con sede en Ginebra. “Nuestro artículo ofrece ejemplos de estructuras que pueden utilizarse para crear y desbaratar los hidroboratos”, dice Murgia. La estructura de los hidroboratos permite que emerjan esferas de boro e hidrógeno cargado negativamente. Estos espacios esféricos dejan suficiente espacio para que pasen los iones de sodio cargados positivamente. “Sin embargo, como las cargas negativas y positivas se atraen entre sí, necesitamos crear un desorden en la estructura para alterar los hidroboratos y permitir que el sodio se mueva”, continúa Brighi.