Uno de los mayores desafíos en la lucha contra el cambio climático es el almacenamiento de energía.Básicamente, el combustible fósil se almacena a sí mismo, con su energía encerrada dentro de sus propios enlaces químicos.Pero, ¿cómo se almacenan formas de energía más sostenibles, pero por lo demás efímeras, como la energía del viento y el sol?

Para Eric Detsi, profesor asociado en Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE), la respuesta son las baterías, con la salvedad de que sean lo suficientemente potentes como para satisfacer las demandas energéticas del futuro; la Agencia Internacional de Energía proyecta que la capacidad mundial de las baterías deberá sextuplicarse para 2030.aún no existen.

En la mayoría de las pilas que se utilizan hoy en día, desde las pilas alcalinas desechables de los electrodomésticos como los despertadores hasta lasbaterías recargables de iones de litioen híbrido yvehículos eléctricos, los electrodos entre los cuales fluyen los iones generalmente están hechos demateriales solidoscomoóxidos metálicoso grafito.Pero, como señala Detsi, cada ciclo de carga y descarga de la batería daña el material, porque los electrodos se expanden y contraen, a veces hasta un 300%, que es una de las razones por las que incluso las baterías recargables pierden gradualmente capacidad y eventualmente fallan..

"Se necesitan materiales que puedan almacenar una gran cantidad de litio, sodio y magnesio para su uso en baterías de alto rendimiento", afirma Detsi."El problema es que cuanto más litio, sodio o magnesio puede almacenar el material de una batería, más se expande y contrae durante la carga y descarga, lo que genera un enorme cambio de volumen".

Algunos investigadores, incluido el fallecido premio Nobel de 2019 John Goodenough, uno de los padres de las baterías de iones de litio, comenzaron recientemente a desarrollar baterías con electrodos líquidos, que no se rompen cuando cambia su volumen.Pero los electrodos líquidos presentan otros desafíos, a saber, la dificultad de fabricar y utilizar de forma segura baterías que se comportan como globos de agua.En otras palabras, simplemente construir baterías más grandes o líquidas no funcionará; para diseñar las baterías del futuro, los investigadores necesitarán crear materiales completamente nuevos.

Es más, muchos de los elementos que normalmente se utilizan en las baterías recargables producidas en masa, como el litio y el cobalto, se están volviendo cada vez más caros, por no mencionar que están enredados en abusos contra los derechos humanos, a medida que aumenta la demanda de baterías.(El año pasado, Siddarth Kara, profesor de la Universidad de Nottingham, publicó "Cobalt Red: How the Blood of the Congo Powers Our Lives", una exposición sobre las pésimas prácticas laborales en la República Democrática del Congo, que produce tres-cuartos partes del cobalto del mundo.)

"La necesidad de baterías de alto rendimiento para los países emergentesalmacenamiento de energíaaplicaciones como el almacenamiento a escala de red y los vehículos eléctricos me llevaron a estudiar materiales para baterías", dice Detsi.

Con ese fin, su grupo ha estado estudiando baterías hechas principalmente de sodio y magnesio, que son más baratas y menos cargadas desde el punto de vista ético, ya que el sodio y el magnesio abundan en la corteza terrestre.Más importante aún, los recursos de sodio y magnesio son abundantes en los EE. UU. Por ejemplo, según el Servicio Geológico de los EE. UU. (USGS), el 68,8 % de las reservas mundiales de carbonato de sodio (ceniza de sosa) y el 14,5 % del cloruro de sodio (sal) del mundo,que son necesarios para producir sodio, se encuentran en los EE. UU.

El grupo de Detsi está utilizando estos metales para desarrollar electrodos que cambian entre estados líquido y sólido para evitar daños durante los ciclos de carga y al mismo tiempo ser fáciles de fabricar.

"Cuando el material está en fase sólida, comenzará a degradarse debido a los enormes cambios de volumen que se producen durante el almacenamiento de la carga", afirma Detsi."Sin embargo, cuando el material se transforma de sólido a líquido, se 'cura' a sí mismo recuperándose de la degradación inducida por el cambio de volumen".

Al principio, Detsi demostró la viabilidad de este enfoque utilizando un ánodo (el electrodo que recoge los iones durante la carga) hecho de pentagaluro de dimagnesio (Mg₂Georgia₅), una mezcla de magnesio y galio, el último de los cuales tiene un punto de fusión bajo, lo que facilita que dichas aleaciones pasen de sólido a líquido.

En 2019, el laboratorio de Detsi, junto con el de Vivek Shenoy, profesor distinguido del presidente Eduardo D. Glandt en MSE, en Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada (MEAM) y en Bioingeniería (BE), demostraron que los ánodos autorreparables hechos de Mg2_Georgia5_{podría soportar más de 1.000 ciclos de carga} ."Antes de nuestro trabajo", dice Detsi, "el ciclo de vida de los ánodos de las baterías de iones de magnesio más modernos era de sólo 200 ciclos".

En otras palabras, la adición del ánodo autorreparable quintuplicó la vida útil inicial de las baterías de iones de magnesio.

A principios de este año, el laboratorio de Detsi fue aún más allá, utilizando un ánodo de galio-indio que se funde a temperatura ambiente, abriendo potencialmente la puerta a aplicaciones comerciales.El ánodo experimental sobrevivió 2.000 ciclos de carga conservando el 91% de la capacidad de la batería."Esto no tiene precedentes", afirma Detsi.Por contexto, el iPhone 15 puede soportar 1000 ciclos de carga manteniendo el 80% de la capacidad de la batería.

Para avanzar en el proyecto, Detsi y sus coautores, Lin Wang y Alexander Ng, reciente Ph.D.Los graduados y Roxana Family, becaria postdoctoral, emplearon una variedad de técnicas de imágenes avanzadas para comprender mejor la transformación del material de sólido a líquido, incluida la difracción de rayos X, la dispersión de rayos X, la espectroscopia de rayos X y la microscopía electrónica de barrido criogénica.Esta última técnica consiste en congelar los ánodos de metal líquido en diferentes etapas, para estudiar mejor el proceso de autocuración, como describieron Detsi y su grupo en unpapel 2023publicado enCartas de Energía ACS.

Hace casi una década, cuando Detsi y su grupo comenzaron a explorar el concepto de baterías de iones de sodio y magnesio autorreparables, casi nadie tomó en serio sus ideas.

"Recuerdo que un crítico de una de nuestras propuestas sobre baterías de iones de sodio preguntó por qué las baterías de iones de sodio no se comercializan si son tan buenas", dice Detsi."En aquel momento sólo había una nueva empresa que desarrollaba baterías de iones de sodio. Ahora hay muchas en todo el mundo".