Innovador desarrollo que podría ampliar el futuro de las energías renovables
15 mar 2023
El modelo de producción y consumo que hemos adoptado en el último siglo y medio muestra sus límites y las desastrosas consecuencias que una explotación irracional de los recursos ha provocado en la salud del Planeta. La crisis climática impone la necesidad de encontrar urgentes soluciones, en especial en la generación de energías limpias y sostenibles y la eliminación gradual pero rápida del usa de los combustibles fósiles, causa principal del agravamiento de las condiciones climáticas.
Naciones Unidas coincidiendo con las advertencias insistentes de los científicos, remarca la necesidad de encontrar soluciones basadas en la naturaleza, es decir nuevas respuestas para hacer frente a los desafíos socioambientales, aprovechar recursos sobreabundantes en la naturaleza, recuperar los materiales considerados desperdicios y potenciar el poder de los ecosistemas.
Es lo que parecen haber conseguido un grupo de ingenieros de la Universidad de Maryland (EEUU), creando una sorprendente batería de quitina y zinc, biodegradable, que genera una considerable potencia eléctrica.
En un artículo publicado en la revista Matter (sept. 2022), dieron a conocer el innovador desarrollo de un electrolito biodegradable obtenido de la quitina de los caparazones de los cangrejos.
El hallazgo es relevante por varios motivos. A medida que el mundo avanza hacia un futuro más sostenible y un uso más intensivo de energías limpias, se hacen evidentes las limitaciones de las baterías de iones de litio, cuya demanda está aumentando aceleradamente, siendo un recurso en cierta medida escaso y concentrado, sobre todo en el llamado “triángulo del litio” (Bolivia, Chile y Argentina).
“Las baterías recargables como fuentes de energía verde son esenciales para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y reducir la emisión de gases de efecto invernadero. Sin embargo, con el aumento de la demanda de vehículos eléctricos en los últimos años, se están produciendo y consumiendo grandes cantidades de baterías, lo que plantea la posibilidad de que se produzcan problemas medioambientales”, señala Meiling Wu, autora principal del nuevo estudio, en colaboración con Ye Zhang, Lin Xu y Liangbing Hu.
Para la investigadora, que realiza una tesis postdoctoral en la Universidad de Maryland, esos problemas deben tenerse en cuenta: “Por ejemplo, los separadores de polipropileno y policarbonato, muy utilizados en las baterías de iones de litio, tardan cientos o miles de años en degradarse y suponen una carga para el medio ambiente”.
Por eso, se espera que una batería recargable derivada de la quitina del cangrejo sea una alternativa o un sustituto del litio, por su potencial en unión al zinc para crear nuevos materiales de electrodos.
Biodegradable
El avance de las energías renovables y de los vehículos eléctricos genera una demanda de baterías, que si bien contribuyen a una energía más limpia, no siempre ellas mismas son sostenibles. Esta batería con un electrolito biodegradable significa que dos tercios de la pila podrán ser descompuestos por microbios.
En el caso de esta batería presentada por Meiling Wu y su equipo, se descompone por completo en cinco meses y solo permanece el componente metálico (zinc), que podría reciclarse, en lugar del plomo o el litio de las baterías actuales. “Esto no significa que el dispositivo de la batería en sí se degrade en cinco meses… el electrolito está empaquetado en una celda cerrada, que está separada del aire y de los organismos”. Los cinco meses se refieren a cuando ya es considerada desperdicio.
Como contracara, las baterías de litio suponen la extracción del mineral que es costosa y nociva para el medio ambiente. No son fácilmente degradables o reciclables, por lo que en la actualidad son incompatibles con la sostenibilidad.
Otra de sus ventajas es que el zinc es más abundante en la Tierra que el litio y, las baterías que lo utilizan “son más baratas y seguras…aseguran Wu y su grupo, que esperan que “en el futuro, todos los componentes de las baterías sean biodegradables. No solo el material en sí, sino también el proceso de fabricación de los biomateriales”.
Mientras el común de las baterías utilizan un electrolito para transportar iones entre los polos cargados (positivo y negativo) que suele ser un líquido, pasta o gel de productos químicos inflamables o corrosivos, en este caso es un producto biológico llamado quitosano, derivado de la quitina, presente en los exoesqueletos de los crustáceos (cangrejos, langostas, etc).
Lo interesante es que la quitina –que tiene diversos usos industriales– supone el aprovechamiento de desperdicios muy abundantes. Se estima que anualmente se producen de 6 a 8 millones de toneladas mundiales de residuos de caparazón de cangrejos, gambas y langostas, la mayoría de los cuales se vierten directamente en el océano o en vertederos.
Esos residuos son ricos en otras sustancias químicas, como el carbonato de calcio, que tiene usos medicinales e industriales, además de la quitina, que es el segundo polímero natural más abundante de la Tierra, después de la celulosa. Está presente en la pared celular de hongos, en levaduras, en las plumas del interior de los calamares y en el exoesqueleto de muchos insectos, pero la principal fuente de obtención son los desechos de crustáceos.
Ante una revolución de las baterías
Si repasamos la realidad de las actuales pilas encontraremos una gran variedad de metales y electrolitos. En una pila alcalina de uso común, el electrodo positivo es de óxido de manganeso y el negativo de zinc. El electrolito intermedio es hidróxido de potasio.
En las baterías de iones de litio, éste es acompañado de cobalto en el positivo y de carbono en el negativo y también en el electrolito. Su liviandad, su gran capacidad energética y el hecho de ser recargables han cimentado su éxito hasta introducirse en casi todos los dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos en los últimos años.
Sin embargo, las dificultades de extracción y el mayor consumo han generado un fuerte incremento del precio mundial del carbonato de litio y del cobalto, lo que ha llevado a la búsqueda de nuevs alternativas.
La nueva pila de zinc y quitosano, que según los investigadores podría almacenar en el futuro energía procedente de fuentes eólicas y solares a gran escala, utiliza un electrolito de gel hecho de un material orgánico, derivado de la quitina. Esta pila tiene una eficiencia energética del 99,7% tras 1.000 ciclos de batería, “lo que la convierte en una opción viable para almacenar la energía generada por el viento y la energía solar para transferirla a las redes eléctricas”, asegura Wu.
El hallazgo de Wu y sus colegas ha sido centrarse en las pilas de zinc, que son una batería común desechable, de un material más fácil de obtener y más barato que el litio y menos tóxico. Y lograron con un separador de quitosano (biodegradable), resolver los problemas técnicos (dendritas) que presenta el zinc como electrodo.
Cuando los ingenieros de Maryland probaron en el laboratorio su innovadora batería descubrieron que no se formaban dendritas y que su hallazgo generaba una corriente eléctrica de 50 miliamperios por cm2 durante 400 horas (o 1.000 ciclos de carga), lo que se equipara a las pequeñas baterías de litio.
Una puerta al futuro
Aunque aún falta recorrer una parte del camino, las baterías basadas en quitosano proveniente del caparazón de los cangrejos, los investigadores consideran que se convertirán en algo habitual en los dispositivos electrónicos y en los sistemas de almacenamiento de energía renovable destinados a una red comercial.
El futuro de estas baterías puede ser sorprendente: el quitosano solo cuesta 1,70 dólares el gramo y requiere apenas 20 microgramos para una batería de 20 milímetros, lo que puede otorgarle una enorme ventaja competitiva sobre las baterías de iones de litio.
Ante la posible objeción de su impacto en la vida marina si el consumo de quitina se multiplica, hay que recordar que cangrejos y langostas son pasibles de cría por acuicultura y que existen otras fuentes de quitina, como los insectos y las paredes celulares de los hongos, por lo que se trata de un material verdaderamente ecológico y abundante que abre una puerta al futuro.
Por el momento, nuestros desperdicios marinos parecen asomar como una solución a nuestros serios problemas energéticos.
Fuente: Matter, World Trade Energy