El dispositivo se encuentra ahora en su fase de prototipo, es plegable y podrá empleárselo en múltiples aplicaciones en vehículos, vestimenta, aparatos eléctricos y electrónicos e incluso microsatélites
El prototipo del Ipen, de unos 5 cm2, está compuesto por un entramado textil de carbono impregnado de nanopartículas de plomo
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
Con la mira puesta en el objetivo de crear un sistema de almacenamiento de energía más liviano y eficiente que las baterías de plomo convencionales utilizadas en automóviles y aplicaciones industriales, un grupo del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen) de Brasil, con sede en São Paulo, ha apostado por una batería a base de nanopartículas de plomo y carbono con un diseño novedoso, inspirado en las pilas de combustible de hidrógeno. Los resultados de dicho trabajo salieron publicados en marzo en la revista Journal of Energy Storage. Está prevista la presentación de una solicitud de patente del dispositivo ante el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI).
“Nuestro prototipo sustituye los tradicionales electrodos metálicos de plomo de las baterías convencionales por nanopartículas de plomo adheridas a una tela flexible de carbono, que es mucho más liviano y conductor que el plomo metálico”, explica el químico Almir Oliveira Neto, del Centro de Células de Combustible e Hidrógeno del Ipen, director del proyecto.
Otra de las novedades es el uso de un electrolito polimérico sólido ‒una membrana transportadora de protones‒ en lugar del electrolito líquido de las baterías de plomo-ácido. En una batería de automóvil, el electrolito (ácido sulfúrico diluido en agua) desempeña el papel de elemento conductor transportando los iones eléctricos entre el polo positivo (cátodo) y el negativo (ánodo) cuando la batería se carga o se descarga.
“La membrana polimérica le confirió flexibilidad al sistema y redujo su peso”, subraya el químico Rodrigo Fernando Brambilla de Souza, autor principal del artículo. La ventaja de los electrolitos sólidos reside en que son menos propensos a fugas y derrames, lo que aumenta la seguridad de la batería. La ausencia de líquidos también puede reducir la corrosión interna y otros procesos de degradación, extendiendo la vida útil del sistema.
El prototipo de la batería, en cuyo desarrollo también participó el Centro de Ciencia y Tecnología de Materiales del Ipen, mide unos 5 centímetros cuadrados y tiene un grosor de 1,2 milímetros. Tiene forma de sándwich, con dos tejidos de carbono impregnados de nanopartículas de plomo prensados en caliente con la membrana transportadora de protones en el centro (véase la infografía abajo). “La célula pesa tan solo 0,73 gramos [g], y en los ensayos de laboratorio presentó la misma eficiencia energética que una batería de plomo tradicional de 15 g. Es 20 veces más liviana y su tamaño es un 90 % menor”, dice Souza, quien actualmente realiza una pasantía posdoctoral en el Ipen.
Alexandre Affonso / Revista Pesquisa FAPESP
Otro aspecto importante de la innovación es su estabilidad electroquímica, es decir, su capacidad de carga y descarga, o ciclado, en vocabulario técnico, sin perder tensión eléctrica: en este caso, la del prototipo es de 2 voltios. “La incorporación de carbono en la estructura de plomo no solo mejoró la estabilidad de las nanopartículas, sino que también se tradujo en un rendimiento muy estable de la batería a lo largo de 100 ciclos, con variaciones del potencial de descarga inferiores a un 2 %”, indicaron los autores en el artículo de la revista Journal of Energy Storage.
“La exitosa integración de la estructura PEM-FC [pila de combustible de membrana de intercambio protónico, en inglés] con la tecnología CLAB [ácido-plomo-carbono, por sus siglas en inglés] allana el camino hacia la búsqueda de soluciones de almacenamiento de energía innovadoras y flexibles”, concluye el artículo. El equipo también está integrado por los investigadores Édson Pereira Soares y Larissa Otubo, del Ipen, por la estudiante doctoral en tecnología nuclear Victória Maia y por los alumnos de iniciación a la investigación científica Felipe Da Conceição, de la Facultad Oswaldo Cruz, y Gabriel Silvestrin, del Centro Universitario FMU, ambos en São Paulo.
Avance tecnológico Las baterías de plomo-ácido (LAB) existen desde hace más de 150 años y siguen conservando una gran vigencia. “Para mejorar el rendimiento de esta tecnología se han introducido diversas innovaciones, razón por la cual aún hoy en día constituyen una opción de bajo costo, robusta y confiable en el mercado de los acumuladores recargables”, afirma la química Lucia Helena Mascaro Sales, investigadora de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y del Centro de Innovación en Nuevas Energías (Cine), apoyado por la FAPESP. “Su desventaja reside en que son pesadas y ocupan mucho espacio. Los colectores de corriente son parrillas de plomo, que representan entre un 30 % y un 60 % de su peso”. Una batería tradicional de plomo pesa, por término medio, unos 14 kilogramos (kg). “Estimamos que un modelo equivalente del dispositivo creado por nuestro grupo podría pesar de 1 a 2 kg”, dice Souza.
Los sistemas de acumuladores plomo-carbono son una evolución de la tecnología LAB porque incorporan carbono como material en sus electrodos. El carbono mejora el rendimiento del sistema debido a que incrementa la estabilidad de la celda al reducir el sulfatado ‒el crecimiento de cristales de sulfato en los electrodos‒, que acaban por degradar la batería. Este resultado representa una mejora sustancial en lo que se refiere al ciclado y la eficiencia.
SOUZA, R. F. B. et al. Journal of Energy Storage. 2024
Las baterías de plomo-carbono, subraya el físico Hudson Zanin, experto en sistemas de almacenamiento de energía de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Universidad de Campinas (Unicamp) quien no forma parte del equipo del Ipen, ya se comercializan desde hace tiempo y hay varios fabricantes en todo el mundo. “Las baterías de la empresa Moura, por ejemplo, poseen un sistema de almacenamiento y gestión de energía denominado BEES, que emplea la tecnología de plomo-carbono”, dice el investigador.
La solución propuesta por el Ipen, empero, es novedosa porque permite que estas baterías puedan ser flexibles en un futuro próximo, lo que daría lugar a un dispositivo plegable, al adoptar un diseño similar al de las células o pilas de combustible, en las que los electrodos metálicos tradicionales de plomo son sustituidos por el tejido de carbono impregnado de nanopartículas de plomo.
“El Ipen propone un enfoque innovador al combinar la tecnología convencional de las baterías de plomo-ácido con elementos avanzados del diseño de las pilas de combustible”, reconoce Zanin. En su opinión, al reemplazar los electrodos convencionales por nanopartículas de plomo adheridas a una malla de carbono flexible, el dispositivo se torna más eficiente porque las nanopartículas ofrecen un área superficial significativamente mayor para las reacciones electroquímicas, que podrán generar una corriente eléctrica más densa. “El tejido también presenta la ventaja de que absorbe mejor las tensiones mecánicas que los electrodos metálicos rígidos, disminuyendo así el riesgo de sufrir daños estructurales durante los ciclos de carga y descarga”, dice el investigador de la Unicamp.
Sales, de la UFSCar, pone de relieve que la flexibilidad de la batería hará posible doblarla y moldearla de distintas formas. “Esto permitirá expandir el uso de la tecnología en aplicaciones modernas, tales como equipos electrónicos portátiles, dispositivos médicos, ropa inteligente y sensores, entre otros, además del uso tradicional en electrónica, vehículos y sistemas estacionarios de almacenamiento de energía”, pondera.
En las pruebas de laboratorio, el dispositivo funcionó sin perder eficiencia en un rango térmico entre -20 y 120 grados Celsius [ºC]. “Si conseguimos elevar su rendimiento a más de 2.000 ciclos, nuestra solución podría llegar a utilizarse incluso en microsatélites”, sugiere Souza. Las baterías de plomo que se utilizan en los vehículos alcanzan los 500 ciclos.
Alexandre Affonso / Revista Pesquisa FAPESP
Los retos por superarse Versátil y prometedora, esta tecnología aún se encuentra en su etapa inicial, centrada en la prueba de concepto y en sus primeras fases de diseño de prototipos. “Estamos en el nivel TRL 3-4 y los próximos pasos consistirán en abaratar los materiales para viabilizar la producción a gran escala”, informa Oliveira. La escala TRL (Nivel de Madurez Tecnológica, por sus siglas en inglés), creada por la agencia espacial estadounidense (Nasa), va del nivel 1, que corresponde a la investigación básica, al 9, cuando el producto ha llegado al mercado.
El ingeniero mecánico Giovani Grespan, actual pasante posdoctoral en la UFSCar y estudioso de los dispositivos plomo-ácido, considera que la iniciativa del Ipen es positiva, pero puntualiza que el desarrollo de baterías requiere de un largo camino que incluye múltiples pruebas de rendimiento, seguridad y homologación. “Esta propuesta presenta problemas que aún deben resolverse. Uno de ellos tiene que ver con los electrolitos sólidos poliméricos, que pueden elevar la resistencia interna de la batería y reducir la velocidad de carga y descarga”, sopesa.
Uno de los próximos desafíos será abaratar el costo de los materiales y de los procesos de producción, especialmente los de las membranas de protones y los electrolitos, añade Zanin. Otro reto consiste en el desarrollo de procesos de fabricación a gran escala que mantengan la calidad y la consistencia de los materiales avanzados. También será necesario demostrar la durabilidad y confiabilidad del prototipo bajo condiciones de funcionamiento real, durante largos períodos. “Estas mejoras podrían posicionar a la tecnología como una alternativa factible y competitiva en el mercado de almacenamiento de energía”, sostiene el investigador de la Unicamp.
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