Al introducir óxido de hierro finamente disperso en diminutas esferas huecas de carbono altamente porosas —desarrolladas por el profesor Michael Elsaesser en la Universidad de Salzburgo—, el equipo de Saarbrücken ha logrado resultados muy prometedores.
Se trata de mayores capacidades de almacenamiento utilizando materiales que son fácilmente disponibles y mucho menos problemáticos desde el punto de vista medioambiental. Los resultados han sido publicados en la revista Chemistry of Materials.
Cualquiera que haya estado alguna vez en Salzburgo (Austria) conoce las Mozartkugeln, las famosas bolas de chocolate rellenas de mazapán y nougat. Estas dulces especialidades ayudan a imaginar las esferas huecas de carbono desarrolladas por investigadores de la Universidad de Salzburgo y que ahora se utilizan en la Universidad del Sarre para avanzar en la tecnología de baterías de ion-litio. Conocidos como carbon spherogels, estos nuevos materiales consisten en unidades nanométricas de unos 250 nm de diámetro que ofrecen una gran superficie y una alta capacidad electroquímica
.«Nuestro reto consiste en utilizar síntesis química para rellenar la cavidad interior de estas esferas con óxidos metálicos adecuados», explica la científica de materiales Stefanie Arnold. Tras los primeros experimentos con dióxido de titanio, cuya capacidad para almacenar y liberar iones de litio resultó relativamente baja, el equipo centró su atención en el óxido de hierro, conocido comúnmente como herrumbre.
«El hierro tiene varias ventajas: es abundante en todo el mundo, ofrece —al menos en teoría— una alta capacidad de almacenamiento y es fácil de reciclar», afirma Arnold, investigadora posdoctoral de la Universidad del Sarre que trabaja con el profesor Volker Presser, catedrático de Materiales Energéticos. Mediante un método de síntesis escalable basado en lactato de hierro, el equipo de Salzburgo logró integrar distintas cantidades de hierro en la estructura de carbono de las esferas huecas, generando redes porosas robustas con nanopartículas de hierro distribuidas de forma uniforme.
«Lo especialmente interesante fue que la capacidad de almacenamiento —es decir, la cantidad de carga eléctrica que puede almacenarse y liberarse de forma reversible por gramo de material activo del electrodo— continuó aumentando mientras la batería estaba en uso. Cuanto más se utilizaba la batería, mejor funcionaba», explica Arnold. Esto se debe a que el hierro metálico elemental de las nanopartículas debe reaccionar primero con el oxígeno para formar óxido de hierro. Este proceso de activación electroquímica no es inmediato, sino progresivo. Se necesitan alrededor de 300 ciclos de carga y descarga para que todas las cavidades de las esferas de carbono se llenen de óxido de hierro y se alcance la capacidad máxima de almacenamiento.
Las “baterías basadas en óxido” aún están en desarrollo
No obstante, aún se requiere más investigación antes de que este mecanismo pueda aplicarse a escala industrial. El proceso de activación debe acelerarse para que las baterías alcancen su capacidad máxima en menos tiempo. Además, los carbon spherogels rellenos de óxido de hierro se utilizan actualmente como ánodo; todavía es necesario desarrollar un cátodo adecuado para obtener una celda completa.
«Confiamos en que nuestro enfoque facilite el desarrollo de sistemas de almacenamiento intermedio respetuosos con el medio ambiente para las energías renovables», afirma Volker Presser, quien también dirige el Departamento de Investigación de Materiales Energéticos del INM – Instituto Leibniz de Nuevos Materiales en Saarbrücken. El nuevo material también se probará en baterías de ion-sodio, que ya están siendo utilizadas por fabricantes de automóviles chinos. «Estos materiales constituyen una plataforma tecnológica versátil que permite integrar in situ una amplia variedad de sustancias en los spherogels en un único paso de síntesis, lo que abre oportunidades para numerosas aplicaciones tecnológicas», añade Michael Elsaesser.
Nuevos métodos de reciclaje y un suministro energético más sostenible
En el marco del proyecto EnFoSaar, Stefanie Arnold también investiga cómo recuperar litio de las baterías y cómo deberían diseñarse las baterías del futuro para que puedan desmontarse a escala industrial. «Necesitamos métodos de reciclaje eficientes y sistemas de materiales de circuito cerrado para minimizar el consumo de recursos y reducir los residuos en la cadena de suministro de baterías», afirma Arnold.
EnFoSaar es un gran proyecto financiado por el gobierno del estado del Sarre con 23 millones de euros del Fondo de Transformación del Sarre. Su objetivo es desarrollar enfoques innovadores para un suministro energético respetuoso con el clima y promover la transformación de la industria energética regional y del panorama científico asociado mediante metodologías innovadoras, científicamente sólidas y aplicables en la práctica.
Publicación original:
Iron-Loaded Carbon Spherogels as Sustainable Electrode Materials for High-Performance Lithium-Ion Batteries
Autores: Saeed Borhani, Le Thi Thao, Gregor A. Zickler, Antje Quade, Michael S. Elsaesser, Volker Presser, Stefanie Arnold
