Exploran una nueva vía para fabricar baterías de magnesio complementarias al litio

Desde los años 90 las baterías de ion litio (Li-ion) son las dominantes en el mercado para proporcionar energía a los dispositivos electrónicos. Sin embargo, este material presenta algunos problemas como su escasez y concentración geográfica, centrada fundamentalmente en zonas de América Latina o Asia. De hecho, se estima quelas minas de las que se puede obtener el litio no son suficientes en la actualidad para hacer frente a la previsible futura demanda derivada de la extensión de los vehículos eléctricos, de tal manera que “si quisiéramos pasar todo el parque móvil del mundo de gasolina o gasóleo a baterías de ion litio, no tendríamos bastante”, como afirma Carlos Pérez-Vicente, investigador de la Universidad de Córdoba (UCO).

Frente a estas desventajas, la comunidad científica está buscando alternativas al litio como el sodio, el calcio, el aluminio o el magnesio. En esta línea, el grupo de investigación de la UCO FQM288 ha publicado un artículo en la revista Energy Storage Materials en el que han comprobado la viabilidad de las baterías de magnesio empleando un nuevo compuesto como cátodo (un óxido de magnesio y manganeso) en unas condiciones muy específicas (con sus cationes ocupando unas posiciones controladas en huecos octaédricos y tetraédricos).

Grupo de investigación de la UCO.

Todas las baterías se componen de 3 elementos, un ánodo, un cátodo y el electrolito, de cuya relación se deriva una reacción química con la que se libera energía utilizable. En esta investigación, el magnesio metal se ha empleado como ánodo (el polo negativo de la batería). Este material presenta algunas ventajas frente al litio ya que al permitir trabajar en forma metálica tiene mayor capacidad que los ánodos actuales de las baterías de tipo Li-ion, y no produce dendritas (depósitos que afectan a la seguridad de las baterías haciendo que se cortocircuite), algo que sí ocurría con las baterías de litio metal.

Por otro lado, el magnesio metal permite el doble de capacidad, pero, en contrapartida, es más difícil que produzca la reacción. Por ello, tal y como afirma Gregorio Ortiz, investigador de la UCO, “no cualquier material puede funcionar con el magnesio, sino que tiene que haber unos estudios previos teóricos y experimentales que conduzcan al éxito”. Así, es necesario combinar el magnesio metal con un cátodo (el polo positivo de la batería) adecuado. El material que han empleado en la investigación como cátodo ha sido un óxido de magnesio y manganeso, Mg2MnO4, que se presenta en una estructura estable.

A partir de este compuesto se inicia el proceso de reducción y oxidación (redox) con el que se genera la energía de las baterías. En este proceso el metal del cátodo (manganeso) se reduce y cede electrones al metal del ánodo (magnesio)que los recibe y se oxida. El trasvase de iones se realiza a través del electrolito, el tercer componente de la batería que une el ánodo y el cátodo y que en la investigación desarrollada se ha empleado un electrolito no acuoso que permite trabajar con unos voltajes más elevados.

El estudio, que se enmarca dentro de un proyecto de investigación que comenzó en 2018 y en el que han participado, además de la Universidad de Córdoba, la Universidad de Xiamen y la Académica de Ciencias de Bulgaria, mezcla cálculos teóricos con una parte experimental donde se han empleado técnicas como difracción de rayos x, resonancia paramagnética electrónica, microscopía electrónica o la espectroscopia de fotoelectrones. Para el desarrollo de dichos avances científicos ha sido fundamental la interacción con los científicos en China y el liderazgo del profesor Ortiz. A través de todas ellas han comprobado que las baterías de magnesio con el compuesto de manganeso aumentaban su capacidad de carga hasta 3.1 voltios, con lo que la densidad de energía a escala de laboratorio es de 335 Wh/kg, lo que supone un 60% de la densidad de energía de las baterías de ion litio. Esto es un aspecto novedoso ya que en los estudios previos no se superaba el máximo de 2.2 voltios. Ahora bien, también han encontrado que en los ciclos de carga y descarga las baterías han descendido su capacidad inicial a la mitad. Como sostiene Ortiz, “posiblemente con nuevas estrategias científicas se podrá retener la capacidad inicial”.

Los resultados obtenidos por la investigación son prometedores de cara a la existencia de unas baterías que complementen a las de litio. Ahora bien, la fórmula solo ha sido probada a nivel de laboratorio, por lo que habría que esperar para ver cómo se comporta a escala real. Para ello sería necesario que la industria invirtiera dinero en el desarrollo de estas baterías.

Referencia bibliográfica:

Rafaela Ruiz, Carlos Pérez-Vicente, Saúl Rubio, Radostina Stoyanova, Wenhua Zuo, Yong Yang y Gregorio F. Ortiz, “A Cubic Mg2MnO4 Cathode for non-aqueous Magnesium Batteries”, Energy Storage Materials, Vol. 48, June 2022, pp. 12-19, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.02.047.