Científicos pueden tener una explicación de por qué algunas baterías no duran.
Las baterías recargables de iones de litio no duran para siempre. Con el tiempo, retienen menos carga, transformándose eventualmente de fuentes de energía a ladrillos. Una de las razones: un nuevo estudio sugiere la presencia de hidrógeno oculto y con fugas. Protones de hidrógeno no deseados llenan los espacios moleculares en el extremo positivo de la batería, dejando menos espacio para los átomos cargados de litio, o iones, que mantienen la reactividad y ayudan a conducir la carga, informan los científicos el 12 de septiembre en Science. La nueva investigación identifica un conjunto de reacciones químicas no deseadas que se desencadenan cuando el electrolito de la batería, que se supone que transporta iones de litio, libera inadvertidamente hidrógeno en el extremo positivo, o cátodo. Esto "desencadena todo tipo de problemas" y reduce la capacidad y vida útil de la batería, dice Gang Wan, un físico y químico de materiales en la Universidad de Stanford.
"Incluso si no estás usando la batería, pierde energía." En una batería de iones de litio (ilustrada abajo), dos electrodos de cargas opuestas, un ánodo y un cátodo, almacenan iones de litio. Los iones se mueven del ánodo al cátodo en un electrolito, lo que crea reacciones químicas que liberan electrones para generar una carga.
El electrolito se supone que solo moverá iones de litio, pero los protones de hidrógeno y electrones se desprenden de las moléculas en el electrolito y se filtran hacia las capas externas del cátodo, desencadenando una cascada de reacciones no deseadas que reducen la vida útil de la batería. Explicaciones anteriores de la pérdida de energía en las baterías se centraban en el movimiento de iones de litio. Algunos investigadores han planteado la hipótesis de que los átomos de hidrógeno también podrían jugar un papel, pero ha sido difícil de observar debido a que el hidrógeno es tan pequeño y omnipresente.
Entonces, Wan y sus colegas intercambiaron el hidrógeno en el electrolito de baterías del tamaño de una célula por deuterio, una variante más pesada del hidrógeno. Los investigadores luego rastrearon el movimiento del deuterio con imágenes de rayos X de alta potencia y espectrometría de masas. Utilizando los resultados y cálculos teóricos, el equipo demostró que el hidrógeno es el "actor dominante" en la pérdida de carga del cátodo. La investigación aumenta nuestro conocimiento sobre la química opaca que se desarrolla dentro de las baterías, lo que la hace "realmente significativa", dice Bart Bartlett, un químico de materiales e inorgánico de la Universidad de Michigan en Ann Arbor que no estuvo involucrado en el estudio.
Apunta a posibles vías para mejorar la vida útil de la batería, como ajustar la química de la batería para evitar reacciones de hidrógeno. Además, el trabajo destaca un problema no reconocido en la continua búsqueda de baterías de voltaje cada vez más alto, ya que los ingenieros buscan almacenar más energía en celdas más pequeñas. Los cátodos de mayor voltaje son más reactivos y tienen más probabilidades de atraer hidrógeno, por lo que cuanto mayor sea el voltaje de la batería, más se produce este "protonación" o "hidrogenación". "Es un compromiso que no creo que hayamos apreciado completamente que estábamos haciendo, o que no entendíamos por qué", dice Bartlett.
Pero, dice, los científicos evaluaron solo un tipo de batería y escenario. Se necesita más investigación para comprender cuán ampliamente se aplican los hallazgos. Si las observaciones del equipo resultan ser replicables, lo más probable es que conduzcan a baterías mejores y más duraderas que aceleren innovaciones como vehículos eléctricos de mayor alcance, dice Jacqueline Edge, una investigadora e ingeniera de baterías en el Imperial College London.
Al mismo tiempo, los avances en la vida útil de las baterías minimizarían nuestra necesidad de extraer los minerales que se utilizan en las celdas de la batería como el cobalto y, por supuesto, el litio, que conlleva consecuencias ambientales y sociales negativas. Podría ser una victoria de sostenibilidad en dos frentes, dice ella.
