Una investigación del Instituto Politécnico Rensselaer ha desarrollado una batería acuosa de iones de litio con ánodos de óxido de tungsteno de niobio. Entre sus características están la simplicidad para sintetizarlas, su facilidad de manejo, su alto rendimiento y su naturaleza no inflamable, lo que las convierte en una alternativa a las baterías tradicionales, especialmente en aplicaciones donde se necesita una alta densidad volumétrica de energía y potencia como es el caso de los vehículos eléctricos.

El desarrollo de la tecnología de las baterías de litio está logrando que estos componentes dispongan cada vez de mayor densidad energética, menor volumen, menor peso, y mayor rendimiento. En el caso de la industria automotriz esto se refleja en que sus últimas generaciones han logrado aumentar significativamente la autonomía y, sobre todo, reducir el precio de fabricación. Pero todas estas ventajas tienen que pagar un peaje, que es la seguridad. El electrolito, el componente que se sitúa entre el ánodo y el cátodo y por el que viajan los iones, es susceptible de inflamarse al producirse un aumento súbito de la temperatura, con el consiguiente riesgo de incendio. Para evitar este problema los sistemas de seguridad son cada vez más robustos, pero a la vez encarecen el coste total y ocupan espacio que podría ser aprovechado para aumentar la capacidad energética.

En un artículo publicado en la revista Energy Storage Materials, un equipo de ingenieros del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI) ha mostrado un método para implementar electrolitos acuosos, en lugar de orgánicos, que dan lugar a baterías más seguras y económicas de fabricar. Los electrolitos acuosos no son inflamables y, a diferencia de los electrolitos no acuosos, tampoco son sensibles a la humedad de los procesos de fabricación. Por lo tanto resultan mucho más fáciles de trabajar y mucho menos costosos. 

El mayor desafío con este material ha sido mantener el rendimiento. Si se aplica demasiado voltaje al agua, se electroliza, es decir, se descompone en hidrógeno y oxígeno. El problema es que al desgasificarse el electrolito se consume, por lo que, en general, tiene una ventana de voltaje muy limitada. En esta investigación, Nikhil Koratkar, profesor titular de ingeniería mecánica, aeroespacial y nuclear en Rensselaer, Fudong Han, profesor asistente de ingeniería mecánica, aeroespacial y nuclear y Aniruddha Lakhnot, estudiante de doctorado en Rensselaer, utilizaron un tipo especial de electrolito acuoso conocido como “agua en electrolito de sal” (LiTFSI), cuya probabilidad de electrolisis es mucho menor.

Esquema del ensamblaje de la batería para la prueba electroquímica del dispositivo de celda completa.

En el caso del cátodo, el equipo de investigadores utilizó óxido de litio y manganeso, y para el ánodo, óxido de tungsteno de niobio, un óxido complejo que nunca antes había sido probado en una batería. Este material, relativamente pesado y denso, cuenta con unas propiedades sobresalientes en términos de capacidad de almacenamiento de energía por unidad de volumen. Gracias al denso empaquetamiento de partículas de óxido de tungsteno de niobio en el electrodo esta capacidad, que depende de su masa, es muy elevada.

La estructura cristalina de este material también tiene canales bien definidos (o túneles) que permiten que los iones de litio se difundan rápidamente, lo que significa que la velocidad de carga es elevada. La combinación de carga rápida y la capacidad de almacenar una gran cantidad de energía por unidad de volumen, no es habitual en las baterías acuosas, asegura Koratkar. La batería resultante cuenta con una alta eficiencia, una capacidad volumétrica de 200 Ah/l mucho más alta que la del grafito (entre 50–110 Ah/l). El efecto de los ciclos de carga y descarga sobre la degradación de la capacidad energética es de aproximadamente un 25% tras 500 ciclos de carga y descarga a tasas 0.5 C – 5 C.

La simplicidad para sintetizarlas, su facilidad de manejo, su alto rendimiento y su naturaleza no inflamable hacen que las baterías acuosas de iones de litio con ánodos de óxido de tungsteno de niobio sean una alternativa a las baterías tradicionales, especialmente en aplicaciones donde se desea una alta densidad volumétrica de energía y potencia. Según el equipo de investigadores, lograr ese tipo de rendimiento, con un bajo coste de fabricación y cumpliendo con todas las condiciones de seguridad, tendría implicaciones prácticas inmediatas. Podría emplearse en aplicaciones como la electrónica portátil, los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía estático, en las que la capacidad de almacenar la mayor cantidad de energía en un volumen limitado es crítica.