Hacia baterías de sodio más seguras

ODS 13: Acción por el clima

Una urgencia ignorada

Violeta Ortega Navarrete violeta@oem.org.mx Licenciada en Letras Hispánicas y en Diseño Integral, activista ambiental.

Recientemente el secretario de las Naciones Unidas, António Guterres ha estado comunicando por redes sociales su preocupación sobre las consecuencias que ha traído la crisis energética provocada por la invasión por parte de Rusia a Ucrania, pues se han elevado los precios de los combustibles, mientras las empresas lucran en los momentos más álgidos de las poblaciones en situación vulnerable. Guterres, indicó que “Las ganancias combinadas de las compañías energéticas más grandes en el primer trimestre de este año se acercan a los 100.000 millones de dólares. Esta codicia grotesca de la industria de los combustibles fósiles y sus financistas está castigando a las personas más pobres y vulnerables, mientras destruye nuestro único hogar.” Y efectivamente, el año 2019 ha sido catalogado como el año más caliente registrado en la historia. Las consecuencias se están viviendo en todas las latitudes, con desastres naturales como inundaciones y sequías que comprometen los ciclos de la agricultura. (Justo en estas fechas el gobierno de China ha decidido bombardear con químicos para “sembrar nubes” ya que ven muy probable que de otro modo los granos que alimentan a la nación puedan dejar de producirse debido a las altas temperaturas y la falta de lluvia, lo cual podría afectar seriamente la economía.) Según datos de la ONU, las emisiones mundiales de dióxido de carbono (CO2) han aumentado casi un 50% desde 1990. Entre 1880 y 2012, la temperatura media mundial aumentó 0.85 grados centígrados. Por cada grado que aumenta la temperatura, la producción de cereales se reduce un 5% aproximadamente. Se ha producido una reducción significativa en la producción de maíz, trigo y otros cultivos importantes, de 40 megatones anuales a nivel mundial entre 1981 y 2002 debido a un clima más cálido. Los océanos se han calentado y acidificado, la cantidad de nieve y hielo ha disminuido y ha subido el nivel del mar. Entre 1901 y 2010, el nivel medio del mar aumentó 19 cm, pues los océanos se expandieron debido al calentamiento y al deshielo. La extensión del hielo marino del Ártico se ha reducido en los últimos decenios desde 1979, con una pérdida de hielo de 1,07 millones de km2 cada decenio. Como se mencionó anteriormente, la crisis energética, no solo ha golpeado los bolsillos de la ciudadanía, sino que varias naciones europeas (Francia, Alemania, Austria) han regresado a la generación eléctrica por medio de la combustión de carbón, uno de los métodos más contaminantes, en la premura de asegurar el abas-

Un absurdo en un país como el nuestro que tiene gran potencial de “ producción eólica, solar y geotérmica”

tecimiento de energía para el próximo invierno. Así que una vez más las metas urgentes de descarbonización se ven postergadas por enfrentamientos bélicos de trasfondo económico. Desde el punto de vista de científicos, activistas y población en general, es muy preocupante y absurdo que los gobiernos que han originado el conflicto, descarten las acciones necesarias en torno al clima, como si sus naciones estuvieran exentas de las consecuencias que provoca el calentamiento global. La comunidad científica ya ha señalado que incluso económicamente es más viable invertir en encauzar el sistema y dirigirnos a la transición, que después será mucho más costoso pretender corregir los daños y las consecuencias del cambio climático, sin hablar de la pérdida de biodiversidad, que de cualquier forma llegará a afectarnos. El Acuerdo de París estipula que se debe restringir el aumento de la temperatura a 1.5 grados centígrados con la finalidad de preservar el equilibrio que aún prevalece, de otra forma debemos estar preparados para vivir desastres naturales recrudecidos, lo cual pone en peligro nuestra seguridad alimentaria y nuestra vida. ¿Y cómo se está afrontando esta situación? Cada país tiene diferentes metas según su capacidad de inversión y condiciones económicas. México está dentro del Acuerdo de París y tenemos la Ley General de Cambio Climático en la cual se estipula que debemos producir al menos 35% de la electricidad por medio generación limpia para 2024. Y que debemos reducir en 50% las emisiones para 2050, en comparación con las del 2000. Sin embargo, en nuestro país, el presidente Andrés Manuel López Obrador, hasta lo que va de su gobierno ha estado impulsando la generación con energías contaminantes por parte de CFE, ha invertido nuestro dinero construyendo y comprando refinerías y ha puesto trabas para la compra de energía limpia, igual que otros gobernantes, con ciegos de la urgente necesidad de descarbonizar todas las industrias, un absurdo en un país como el nuestro que tiene gran potencial de producción eólica, solar y geotérmica. La ONU considera que si se prioriza en invertir en tecnología para la descarbonización, y se adoptan cambios en el comportamiento, producción, innovación y consumo por parte de gobiernos, industria, academia y sociedad aún es posible limitar el aumento de la temperatura media mundial a 2 grados centígrados por encima de los niveles preindustriales.

Hacia baterías de sodio más seguras

Más seguras y de alta capacidad

Una batería recargable más segura, ecológica y económica para alimentar vehículos eléctricos, teléfonos móviles y muchas otras aplicaciones podría estar un paso más cerca después de un descubrimiento innovador realizado por investigadores de la NUS (National University of Singapore). El equipo dirigido por el profesor asistente Pieremanuele (Piero) Canepa (Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Diseño e Ingeniería de la NUS) ha identificado una nueva composición de electrolito sólido a base de iones de sodio que puede permitir la carga y descarga ultrarrápidas de la batería. Su investigación fue publicada recientemente en Nature Communications. “Las baterías de iones de litio convencionales y ampliamente utilizadas están plagadas de problemas de seguridad, particularmente debido a la alta inflamabilidad de los electrolitos líquidos que contienen”, dijo el profesor asistente Canepa. “El desafío ha sido encontrar alternativas de estado sólido más seguras que puedan competir en términos de velocidad de carga, longevidad y capacidad de carga potencial”. El uso de materiales cerámicos no inflamables, conocidos como electrolitos sólidos, para crear una batería completamente de estado sólido ha sido ampliamente considerado por los investigadores como la mejor perspectiva para ofrecer baterías más seguras y de alta capacidad necesarias para satisfacer las demandas energéticas de un futuro con bajas emisiones de carbono. La dificultad ha estado en desarrollar la composición adecuada de material cerámico capaz de ofrecer un rendimiento que compita con los electrolitos líquidos inflamables de las baterías comerciales de iones de litio. La nueva composición de estado sólido desarrollada por el equipo de NUS utiliza una clase de electrolitos sólidos conocidos como NASICON (o superconductores iónicos de sodio) que fueron descubiertos por primera vez hace unas cuatro décadas por Hong y Goodenough, el Premio Nobel de Química de 2019. Además de ser más segura, al usar sodio en lugar de litio, la batería tiene el beneficio adicional de ser más económica y fácil de producir. “La mayor parte del litio del mundo, que es un elemento bastante raro en sí mismo, proviene de unos pocos lugares, principalmente de Chile, Bolivia y Australia”, dijo el profesor adjunto Canepa. “Sin embargo, usar una batería que depende del sodio es mucho más eficiente, ya que el sodio se puede extraer fácilmente e incluso de forma limpia, incluso en un lugar pequeño como aquí en Singapur”.

Enfoque avanzado

El equipo del profesor asistente Canepa realizó el descubrimiento utilizando un enfoque ascendente que implicó desarrollar primero un modelo teórico a escala atómica de la composición cerámica de NASICON utilizando supercomputadoras de alta potencia y algoritmos novedosos desarrollados por el mismo equipo. La composición diseñada fue luego sintetizada, caracterizada y probada expe-

Usar una batería que depende del sodio es mucho más eficiente, ya que “ el sodio se puede extraer fácilmente”

rimentalmente por el equipo del profesor Masquelier en el CNRS Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, en Amiens, Francia. La velocidad del movimiento de iones en la nueva composición de NASICON se midió luego en NUS y en el Instituto de Investigación de Energía y Clima, en Jülich, Alemania. “El método que utilizamos permite a los investigadores acelerar el desarrollo y la optimización de nuevos electrolitos sólidos para baterías de estado sólido, que son cruciales para lograr baterías más seguras con alta densidad de potencia”, dijo el profesor asistente Canepa. “Creemos que este enfoque avanzado será fundamental para desarrollar la próxima generación de tecnologías de almacenamiento de energía limpia”. La próxima etapa de la investigación, en la que el equipo está trabajando ahora, se centrará en desarrollar una batería sólida de tamaño completo utilizando la cerámica NASICON y demostrar su rendimiento de carga y descarga. El profesor adjunto Canepa dirige el Laboratorio de Investigación Canepa en NUS, que aprovecha el poder de las supercomputadoras y los algoritmos de simulación avanzados para ampliar los límites en la transformación y el almacenamiento de energía limpia.

Investigación de Canepa Lab sobre baterías de estado sólido

En un estudio relacionado, los investigadores de Canepa Lab examinaron uno de los desafíos clave en el desarrollo de baterías de estado sólido: la interfaz entre el ánodo de metal alcalino y el electrolito sólido, que a menudo es inestable y causa fallas en la batería. La estabilidad de esta interfaz depende de las propiedades de la capa intermedia químicamente distinta que se forma en el límite, conocida como interfase de electrolito sólido. En su estudio, publicado recientemente en la revista PRX Energy, el equipo dirigido por el investigador Yuheng Li estudió la interfaz de la batería entre un ánodo de metal de litio y un electrolito sólido bien conocido, en el que se forma una interfase autolimitante y estable. Para comprender el origen de esta estabilidad, los autores utilizaron simulaciones a escala atómica para modelar la conductividad electrónica de la interfase. Descubrieron que la interfase es aislante electrónicamente y, por lo tanto, detiene la formación progresiva de sí misma y estabiliza la interfaz. El equipo dice que sus hallazgos proporcionan pautas de diseño sobre interfaces de batería estables, lo que ayuda a acelerar la comercialización de baterías de estado sólido seguras y de alto rendimiento.

Zeyu Deng et al, Fundamental investigations on the sodium-ion transport properties of mixed polyanion solid-state battery electrolytes, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32190-7