Batería Inventaha por Thomas A. Edison vuelve a la vida gracias al Grafeno
Un siglo después de su creación, ingenieros optimizan su rendimiento y multiplican por 1.000 su velocidad de carga.
Un grupo de ingenieros e investigadores de Stanford University se ha decidido a dar una nueva vida a las baterías de níquel-hierro, una tecnología de baterías recargables desarrollada por Thomas Alva Edison hace más de un siglo. Los especialistas descubrieron que era posible optimizar esta vieja tecnología, agregando a su natural durabilidad una mayor velocidad de carga y descarga, que se ha logrado multiplicar en alrededor de 1.000 veces.
Thomas Alba Edison diseñó las baterías recargables de níquel-hierro a principios del siglo XX para alimentar coches eléctricos. Superadas por otras tecnologías, hoy apenas se usan. Su utilización está restringida a acumular energía en algunos molinos de viento y paneles solares. Son seguras, pero muy lentas tanto de cargar como de descargar, y acumulan menos energía que otras en el mismo espacio.
El grafeno, el material que se postula como una completa revolución de casi cualquier tecnología presente, ha llegado para mejorarlas. Un grupo de investigadores de la Universidad de Stanford ha utilizado grafeno y nanotubos de carbono —hilos creados con grafeno— paramultiplicar por mil su velocidad de carga y descarga. Una mejora espectacular que revive estas baterías confiriéndoles nuevas capacidades. «Espero que podamos darle a las baterías de níquel-hierro una nueva vida», dijo Hongjie Dai, profesor de dicha universidad.
Las baterías de níquel-hierro son baratas de fabricar, seguras y duraderas. Este nuevo avance, publicado en la revista científica Nature Communications, mantiene el precio ajustado y les suma la capacidad de cargarse y descargarse en apenas segundos —cuando antes les habría supuesto horas—. «Nuestra batería probablemente nunca alimentará coches eléctricos porque la densidad energética no es la ideal», asegura Wang, lider del proyecto, «pero podría ayudar a las baterías de litio dando un empujón de energía para mayores aceleraciones».
Ánodo y cátodo de la batería “de Edison”
Tecnología de ayer y hoy
Edison creó las baterías de niquel-hierro como una alternativa barata y segura de las de ácido y plomo. El diseño básico consiste en dos electrodos —uno de níquel y otro de hierro— sumergidos en una solución alcalina. «Es importante resaltar que tanto el níquel como el hierro son dos materiales muy abundantes en la Tierra», aclaró Dai.
Puesto que era conocido que el carbono mejoraba la conductividad entre electrodos, los investigadores fabricaron los electrodos con grafeno —una capa finísima de átomos de carbono en forma de panal de abeja— . «En los electrodos convencionales la gente mezcla al azar tanto el hierro como el níquel con el carbono», afirmó Wang. «Nosotros hicimos crecer nanocristales de óxido de hierro sobre grafeno, y nanocristales de hidróxido de níquel sobre los nanotubos de carbono». Esto permite a las cargas eléctricas moverse muy rápido entre los electrodos.
Utilidades de la nueva batería
Las principales ventajas de las baterías mejoradas residen en su fiabilidad y en su velocidad de carga y descarga. Además de usos como refuerzo de otras baterías, sus creadores postulan conusos militares. «Si necesitan cargar algo muy rápido», afirma Wang.
En general, es útil como respaldo de otras baterías o de cualquier aparato eléctrico que pueda requerir de una gran carga en muy poco tiempo. Según los investigadores, que crearon un prototipo de 1 voltio, el modelo es escalable y se pueden producir versiones mucho más grandes. Su único problema, asegura Wang, es que pierden en torno a un 20% de su capacidad tras 800 ciclos de carga y descarga. Esto, que no es tan grave en otro tipo de baterías más lentas, puede ser el principal impedimento para que esta nueva tecnología se asiente.
Edison con la batería de níquel-hierro.
Los investigadores han vuelto a poner sus ojos en este fantástico invento y han intentado corregir los inconvenientes que contribuyeron a que dejaran de usarse.
Según explica el profesor de química de Stanford Hongjie Dai, entre las numerosas ventajas que ofrece la batería de Edison destaca lo duradera que es es. Tiene un diseño simple y es de fácil fabricación. Además, tanto el níquel como el hierro son muy abundantes, relativamente económicos y poco tóxicos si lo comparamos con otros minerales. Sin embargo, presenta algunas desventajas. Tarda varias horas en cargarse y la descarga también es muy lenta.
Por ello, los investigadores se centraron en reducir el tiempo de carga y descarga. Para lograrlo utilizaron grafeno (un material compuesto de carbono, de sólo un átomo de grosor, que conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido) y nanotubos de carbono.
El diseño original de Edison estaba compuesto por dos electrodos (un cátodo formado por tubos compuestos de láminas de acero niquelado enrolladas y rellenos de hidróxido de níquel, y un ánodo compuesto por cajas de acero niquelado que contenían óxido ferroso) bañados en una solución alcalina. (El cátodo el electrodo negativo y el ánodo es el electrodo positivo.)
Nanomateriales
El carbono se ha utilizado durante mucho tiempo para mejorar la conductividad eléctrica de los electrodos y los investigadores de Stanford utilizaron esa misma idea.
Para mejorar la eficiencia de la batería de Edison, los investigadores utilizaron grafeno (compuesto de carbono). En concreto, incorporaron nanocristales de óxido de hierro en el grafeno, y nanocristales de hidróxido de níquel en los nanotubos de carbono. Gracias a esta técnica, lograron fusionar las partículas metálicas con los nanomateriales de carbono, consiguiendo una gran mejora en el rendimiento de la batería.
“El resultado es una versión ultrarrápida de la batería de níquel-hierro que se carga y descarga en segundos”, señala Dai. En concreto, tarda dos minutos en cargarse y 30 segundos en descargarse.
De momento, la energía que puede suministrar el prototipo desarrollado en el laboratorio es muy pequeña (su diferencia de potencial de sólo un voltio). El objetivo de los investigadores es aumentarla para que pueda utilizarse en la red eléctrica o para el transporte.
La mayoría de los coches eléctricos, como Nissan Leaf y Chevy Volt, utilizan baterías de ión litio que son capaces de almacenar mucha energía pero tardan horas en cargarse. Los padres de la batería ultrarrápida de níquel-hierro ven difícil que su invento sea capaz de alimentar a un coche por sí sola, aunque podría ser un complemento de las baterías de ión litio.
Los autores destacan que su batería será particularmente útil para recargar dispositivos de forma rápida en situaciones de emergencia, por ejemplo, en el ámbito militar.
CUESTIONARIO
1. ¿Qué elementos forman la bateria creada por Thomas A. Edison ? ¿En qué consiste?
2. ¿Cuáles eran las ventajas y desventajas al usar esta bateria?
3. ¿Cómo se se logrará superar estas desventajas?
4. ¿Qué tipos de baterias usam los coches eléctricos?, averigue su función.
5. Averigue, ¿Qué es el grafeno?
